Akış direnci geniş kapsamlı bir sorundur. Bir arabanın yüksek hızda yakıt tüketimi, zemin sürtünme direncinden ziyade esas olarak hava direncinden gelir. Dumanın havada "askıya alınabilmesinin" nedeni de akış direncinden kaynaklanmaktadır. Bunların hepsi hava direncinin önemini göstermektedir.
01
Basınç farkı direnci ve sürtünme direnci
Kuvvet açısından, nesnenin direnci, sıvının yüzeyi üzerindeki doğrudan etkisidir. Nesnenin yüzeyine dik olan sıvının basıncıdır ve bunun oluşturduğu dirence diferansiyel basınç direnci denir; cismin yüzeyine paralel olan sıvının viskoz kesme kuvvetidir ve bunun oluşturduğu dirence sürtünme direnci denir. Bu iki kuvvet dışında başka bir kuvvet yoktur. Bu nedenle, bir nesnenin toplam direnci, basınç farkı direnci ve sürtünme direncinin bileşke kuvvetidir. Basınç farkı direnci, nesnenin şekli ile yakından ilgilidir ve sürtünme direnci, esas olarak nesnenin yüzey alanı ile ilgilidir.
Bazı yerlerde basınç farkı direnci ve sürtünme direncine ek olarak, indüklenmiş direnç, şok dalgası direnci vb. de vardır ki bu bir yanlış anlaşılmadır. Aslında, hem indüklenen direnç hem de şok dalgası direnci, basınç farkı direncine ve sürtünme direncine (esas olarak basınç farkı direnci) bağlanabilir.
02
şekil direnci arka direnç
Bir sıvı içinde hareket eden nesnelerin dirençle karşılaşacağı eski çağlardan beri bilinmektedir ve direnç nesnenin şekli ile yakından ilişkilidir. Ancak orijinal akışkanlar mekaniği teorisi tam tersi bir sonuca vardı. Euler ve Bernoulli'nin sıvı hareketi yasalarına göre, sıvının viskozitesi göz ardı edilirse, sıvı içinde hareket eden herhangi bir şekle sahip nesnelere karşı direnç üretmeyecektir.
Direncin tamamen viskoziteden kaynaklandığı görülüyor, ancak havanın viskozitesi çok küçük ve onun ürettiği sürtünme direnci gerçekte ölçülen aerodinamik dirençten çok daha küçük. Bu çelişki Fransız matematikçi D'Alembert tarafından ortaya atıldığı için tarihte "D'Alembert Paradoksu" olarak bilinir.
Prandtl, sınır tabakası teorisini ortaya atana kadar, insanlar akış direncinin özünü gerçekten anladılar. Basınç farkı direnci aerodinamik direncin ana bileşenidir, genel nesneler için ise basınç farkı direnci temel olarak sınır tabakası ayrılmasından kaynaklanır.
İlk insanlar (belki şimdi birçok insan öyle düşünüyor), bir tür "sağduyuya" dayanarak, nesnenin ön kısmının şeklinin direncin boyutunu belirlediğine ve ön kısım daha keskinse direncin küçük olacağına inanıyorlardı. . Sınır tabakası teorisi ile, nesnenin arkasının şeklini keşfetmek daha önemlidir. Çünkü cismin arka yüzünün şekli, sınır tabakasının nereden ayrıldığını ve dolayısıyla cismin yüzeyindeki basınç dağılımını belirler.
Sıradan balıklar ve kuşlar, yuvarlak başlı ve sivri kuyruklu, nispeten mükemmel aerodinamik gövdelerdir.
03
Şekil direnci Ön direnç
Sürükleme miktarı için cismin arka tarafının şekli belirleyici olsa da ön tarafının şekli de önemlidir. Örneğin cismin önü kare ise sıvı keskin köşelerde erken ayrılacak ve arka kısmın özenle tasarlanmış şekli anlamını yitirecektir. Halihazırda karayolunda çalışan kamyonlar için, elde edilen şekil optimizasyonu esas olarak ön kısımda yoğunlaşmış ve arka kısım konteynerin şekli ile sınırlandırılmıştır, bu nedenle daha az iş yapılmıştır. Transonik hızda hareket eden nesneler için, şok dalgası ek direnç oluşturacaktır, bu nedenle ön kısım çok sivri bir şekilde tasarlanmıştır, böylece direnci azaltmak için şok dalgasının koni açısı daha küçüktür.
04
Şok dalgası direnci
Gelen akış hızı ses hızına yaklaştığında veya onu aştığında, ek şok dalgası direnci getirecek şok dalgaları üretilecektir. Özünde, şok dalgası direnci, aynı zamanda, şok dalgalarının varlığı nedeniyle nesnenin arka yarısında yetersiz basınç geri kazanımından kaynaklanan bir tür basınç farkı direncidir. Viskoz kayıp ihmal edildiğinde, şok dalgası olmadığında, cismin ikinci yarısındaki hava akışının yavaşlaması bir basınç artışına Δp1 karşılık gelir; bir şok dalgası olduğunda, hava akışı şok dalgasından geçerken mekanik enerjinin bir kısmını kısmen kaybeder ve aynı yavaşlamaya karşılık gelen basınç artışı Δp2, Δp1'den daha küçük olacaktır. Bu nedenle, bir şok dalgası olduğunda, nesnenin arka yarısındaki basınç biraz daha düşüktür ve bu, şok dalgası direncinin kaynağıdır. Nesnenin ön kenarını keskinleştirmek, şok konisi açısını azaltabilir, böylece şok dalgasının neden olduğu kaybı azaltabilir ve ayrıca şok dalgası direncini azaltabilir. Gemi su yüzeyinde seyir halindeyken yüzey dalgaları üreteceği ve dalga direnci de olacağı için sivri uçlu, su altında seyreden denizaltı ise yuvarlak olmalıdır.
Şok dalgası direncini açıklamak için enerji kaybını kullanmak yeterince doğrudan değildir. Sonuçta, bir cismin yüzeyindeki basınç ve viskoz kuvvet, direncin büyüklüğünü doğrudan belirleyen faktörlerdir. Daha sonra, şok dalgası direnci, nesnenin yüzey basıncındaki değişiklikle açıklanır.
05
Şekil ve yüzey kalitesinin sürüklemeye etkisi
Direnci azaltmak, akışkanlar mekaniğinin ebedi bir temasıdır. Akış çizgilerinin kullanılması, fark basınç direncini etkili bir şekilde azaltabilir, çünkü esas olarak iyi tasarlanmış bir aerodinamik gövdenin yüzeyinde sınır tabakası ayrımı yoktur ve bu nedenle fark basınç direncini azaltır.
Şekle ek olarak, bir nesnenin yüzey pürüzlülüğü de sürtünmeyi etkiler. Genel olarak, yüzey ne kadar pürüzsüzse, sürtünme direnci o kadar küçüktür, ancak bazen nesnenin yüzeyi kasıtlı olarak pürüzlüdür, böylece sınır tabakası ayrılmayı engellemek için türbülanslı hale gelir ve böylece basınç diferansiyel direncini önemli ölçüde azaltır.
06
özetle
Akışkanlar mekaniğinin alışkanlığı, bir cismin aerodinamik direncini analiz ederken, onu kuvvetin biçimine göre bölmektir. Cismin yüzeyine dik yönde etki eden basıncın neden olduğu dirence diferansiyel basınç direnci, cismin yüzeyine paralel sürtünme kuvvetinin neden olduğu dirence ise sürtünme direnci denir. Bir cismin yüzeyinde bu iki kuvvet dışında bir kuvvet bulunmadığından, herhangi bir direnç ya basınç farkı direnci ya da sürtünme direnci ya da her ikisidir.
Akış ayrılmasından kaynaklanan basınç farkı direnci ve şok dalgasının neden olduğu basınç farkı direnci, nesnelerin aerodinamik direncini etkileyen en büyük faktörlerdir.
Ses altı düşük dirençli nesnelerin yuvarlak başları ve sivri kuyrukları varken, süpersonik düşük dirençli nesnelerin sivri uçları vardır.
