A resistência ao fluxo é um problema abrangente. O consumo de combustível de um carro em alta velocidade vem principalmente da resistência do ar e não da resistência ao atrito do solo. A razão pela qual o smog pode ser "suspenso" no ar também é devido à resistência ao fluxo. Todos eles ilustram a importância da resistência do ar.
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Resistência diferencial de pressão e resistência de fricção
Do ponto de vista da força, a resistência do objeto é a ação direta do fluido sobre sua superfície. O que é perpendicular à superfície do objeto é a pressão do fluido, e a resistência gerada por ela é chamada de resistência à pressão diferencial; o que é paralelo à superfície do objeto é a força de cisalhamento viscosa do fluido, e a resistência gerada por ela é chamada de resistência de atrito. Além dessas duas forças, não há outra força. Portanto, a resistência total de um objeto é a força resultante da resistência à diferença de pressão e resistência ao atrito. A resistência à diferença de pressão está intimamente relacionada à forma do objeto e a resistência ao atrito está principalmente relacionada à área da superfície do objeto.
Alguns lugares dizem que, além da resistência à diferença de pressão e resistência ao atrito, há resistência induzida, resistência a ondas de choque, etc., o que é um mal-entendido. De fato, tanto a resistência induzida quanto a resistência da onda de choque podem ser atribuídas à resistência à diferença de pressão e à resistência ao atrito (principalmente resistência à diferença de pressão).
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resistência à forma resistência posterior
Sabe-se desde os tempos antigos que os objetos que se movem em um fluido experimentam resistência, e a resistência está intimamente relacionada à forma do objeto. Mas a teoria original da mecânica dos fluidos chegou à conclusão oposta. Com base nas leis do movimento do fluido de Euler e Bernoulli, se a viscosidade do fluido for ignorada, o fluido não produzirá resistência a objetos de qualquer forma que se movam nele.
Parece que a resistência é totalmente causada pela viscosidade, mas a viscosidade do ar é muito pequena, e a resistência ao atrito produzida por ela é muito menor do que a resistência aerodinâmica medida de fato. Essa contradição é conhecida na história como "Paradoxo de D'Alembert" porque foi proposta pelo matemático francês D'Alembert.
Não foi até Prandtl apresentar a teoria da camada limite que as pessoas realmente perceberam a essência da resistência ao fluxo. A resistência à diferença de pressão é o principal componente da resistência aerodinâmica, enquanto para objetos em geral, a resistência à diferença de pressão é principalmente devida à separação da camada limite.
Os primeiros (talvez muitas pessoas pensem assim agora) com base em algum tipo de "senso comum", acreditavam que a forma da parte frontal do objeto determina o tamanho da resistência, e a resistência será pequena se a parte frontal for mais nítida . Com a teoria da camada limite, é mais importante descobrir a forma da parte traseira do objeto. Porque a forma da parte de trás do objeto determina onde a camada limite se separa e, portanto, a distribuição de pressão na superfície do objeto.
Peixes e pássaros comuns são corpos aerodinâmicos relativamente perfeitos, com cabeças redondas e caudas pontiagudas.
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Resistência à forma Resistência frontal
Embora o formato da parte traseira do objeto seja decisivo para a quantidade de arrasto, o formato da frente também é importante. Por exemplo, se a frente do objeto for quadrada, o fluido se separará cedo nos cantos agudos e a forma cuidadosamente projetada da parte traseira perderá seu significado. Para os caminhões que circulam atualmente na rodovia, a otimização de formato alcançada concentra-se principalmente na parte frontal, e a parte traseira é limitada pelo formato do contêiner, portanto, menos trabalho foi feito. Para objetos que se movem em velocidade transônica, a onda de choque gerará resistência adicional, de modo que a parte frontal é projetada em uma forma muito pontiaguda, de modo que o ângulo do cone da onda de choque seja menor para reduzir a resistência.
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Resistência a ondas de choque
Quando a velocidade do fluxo de entrada se aproxima ou excede a velocidade do som, ondas de choque serão geradas, o que trará resistência adicional às ondas de choque. Em essência, a resistência à onda de choque também é um tipo de resistência à diferença de pressão, causada pela recuperação insuficiente da pressão na metade traseira do objeto devido à existência de ondas de choque. Desprezando a perda viscosa, quando não há onda de choque, a desaceleração do fluxo de ar na segunda metade do objeto corresponde a um aumento de pressão Δp1; quando houver uma onda de choque, o fluxo de ar perde parte da energia mecânica ao passar pela onda de choque, e o aumento de pressão Δp2 correspondente à mesma desaceleração será menor que Δp1. Portanto, quando há uma onda de choque, a pressão na metade traseira do objeto é um pouco menor, que é a fonte da resistência da onda de choque. Tornar a borda frontal do objeto afiada pode reduzir o ângulo do cone de choque, reduzindo assim a perda causada pela onda de choque e também reduzindo a resistência da onda de choque. Quando o navio navega na superfície da água, ele vai gerar ondas superficiais e também ter resistência a ondas, por isso deve ser pontiagudo, enquanto o submarino que viaja debaixo d'água é arredondado.
Usar a perda de energia para explicar a resistência da onda de choque não é direto o suficiente. Afinal, a pressão e a força viscosa na superfície de um objeto são os fatores que determinam diretamente a magnitude da resistência. Em seguida, a resistência da onda de choque é explicada pela mudança da pressão da superfície do objeto.
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Efeito da forma e qualidade da superfície no arrasto
Reduzir a resistência é um tema eterno da mecânica dos fluidos. O uso de linhas de corrente pode efetivamente reduzir a resistência à pressão diferencial, principalmente porque não há separação da camada limite na superfície de um corpo aerodinâmico bem projetado, reduzindo assim a resistência à pressão diferencial.
Além da forma, a rugosidade da superfície de um objeto também afeta o arrasto. Geralmente, quanto mais lisa a superfície, menor a resistência ao atrito, mas às vezes a superfície do objeto é intencionalmente áspera, de modo que a camada limite se torna turbulenta para inibir a separação, reduzindo significativamente a resistência diferencial de pressão.
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Resumir
Ao analisar a resistência aerodinâmica de um objeto, o hábito da mecânica dos fluidos é dividi-la de acordo com a forma de força. A resistência causada pela pressão atuando verticalmente na superfície do objeto é chamada de resistência à pressão diferencial, enquanto a resistência causada pela força de atrito paralela à superfície do objeto é chamada de resistência ao atrito. Como não há força além dessas duas forças na superfície de um objeto, qualquer tipo de resistência é resistência à diferença de pressão ou resistência ao atrito, ou ambas.
A resistência à diferença de pressão causada pela separação do fluxo e a resistência à diferença de pressão causada pela onda de choque são os maiores fatores que afetam a resistência aerodinâmica dos objetos.
Objetos subsônicos de baixa resistência têm cabeças redondas e caudas pontiagudas, enquanto objetos supersônicos de baixa resistência têm extremidades pontiagudas.
