Sức cản dòng chảy là một vấn đề trên phạm vi rộng. Mức tiêu hao nhiên liệu của ô tô ở tốc độ cao chủ yếu đến từ lực cản không khí hơn là lực cản ma sát với mặt đất. Sở dĩ sương khói có thể “lơ lửng” trong không khí cũng là do lực cản của dòng chảy. Tất cả đều minh họa tầm quan trọng của lực cản không khí.
01
Kháng chênh lệch áp suất và kháng ma sát
Xét về lực, lực cản của vật thể là tác dụng trực tiếp của chất lỏng lên bề mặt của nó. Cái vuông góc với bề mặt của vật thể là áp suất của chất lỏng và lực cản do nó tạo ra được gọi là lực cản chênh lệch áp suất; cái song song với bề mặt của vật thể là lực cắt nhớt của chất lỏng và lực cản do nó tạo ra được gọi là lực cản ma sát. Ngoài hai lực lượng này không còn lực lượng nào khác. Do đó, lực cản toàn phần của một vật là lực kết quả của lực cản chênh lệch áp suất và lực cản ma sát. Khả năng chống chênh lệch áp suất có liên quan mật thiết đến hình dạng của vật thể và khả năng chống ma sát chủ yếu liên quan đến diện tích bề mặt của vật thể.
Một số nơi nói rằng ngoài khả năng chống chênh lệch áp suất và khả năng chống ma sát, còn có khả năng chống cảm ứng, chống sóng xung kích, v.v., đó là một sự hiểu lầm. Trên thực tế, cả lực cản cảm ứng và lực cản sóng xung kích đều có thể được quy cho lực cản chênh lệch áp suất và lực cản ma sát (chủ yếu là lực cản chênh lệch áp suất).
02
điện trở hình dạng điện trở sau
Từ thời cổ đại, người ta đã biết rằng các vật thể chuyển động trong chất lỏng sẽ gặp lực cản và lực cản có liên quan mật thiết đến hình dạng của vật thể. Nhưng lý thuyết ban đầu về cơ học chất lỏng đã đi đến kết luận ngược lại. Dựa trên các định luật chuyển động của chất lỏng Euler và Bernoulli, nếu bỏ qua độ nhớt của chất lỏng thì chất lỏng sẽ không sinh ra lực cản đối với các vật có hình dạng bất kỳ chuyển động trong nó.
Có vẻ như lực cản hoàn toàn do độ nhớt gây ra, nhưng độ nhớt của không khí rất nhỏ và lực cản ma sát do nó tạo ra nhỏ hơn nhiều so với lực cản khí động học đo được trên thực tế. Mâu thuẫn này được lịch sử gọi là "Nghịch lý D'Alembert" vì nó được đề xuất bởi nhà toán học người Pháp D'Alembert.
Mãi cho đến khi Prandtl đưa ra lý thuyết lớp ranh giới, người ta mới thực sự nhận ra bản chất của lực cản dòng chảy. Lực cản chênh lệch áp suất là thành phần chính của lực cản khí động học, trong khi đối với các vật thể thông thường, lực cản chênh lệch áp suất chủ yếu là do sự phân tách lớp biên.
Những người đầu tiên (có thể bây giờ nhiều người nghĩ như vậy) dựa trên một số loại "lẽ thường", tin rằng hình dạng của phần trước của vật thể quyết định kích thước của lực cản và lực cản sẽ nhỏ nếu phần trước sắc nét hơn . Với lý thuyết lớp biên, điều quan trọng hơn là phát hiện ra hình dạng phía sau của vật thể. Bởi vì hình dạng của mặt sau của vật thể xác định nơi phân tách lớp ranh giới và do đó phân bố áp suất trên bề mặt của vật thể.
Các loài cá và chim thông thường có thân hình thuôn dài tương đối hoàn hảo, đầu tròn và đuôi nhọn.
03
Lực cản hình dạng Lực cản phía trước
Mặc dù hình dạng phía sau của vật thể quyết định lượng lực cản, nhưng hình dạng phía trước cũng rất quan trọng. Ví dụ: nếu mặt trước của vật thể là hình vuông, chất lỏng sẽ sớm tách ra ở các góc nhọn và hình dạng được thiết kế cẩn thận của mặt sau sẽ mất đi ý nghĩa. Đối với các xe tải hiện đang chạy trên đường cao tốc, việc tối ưu hóa hình dạng đã đạt được chủ yếu tập trung ở phần đầu và phần sau bị giới hạn bởi hình dạng của container nên ít phải làm việc hơn. Đối với các vật thể chuyển động với tốc độ siêu âm, sóng xung kích sẽ tạo thêm lực cản, vì vậy phần trước được thiết kế thành hình rất nhọn, sao cho góc nón của sóng xung kích nhỏ hơn để giảm lực cản.
04
chống sóng xung kích
Khi tốc độ dòng chảy đến đạt hoặc vượt quá tốc độ âm thanh, sóng xung kích sẽ được tạo ra, điều này sẽ mang lại khả năng chống sóng xung kích bổ sung. Về bản chất, khả năng chống sóng xung kích cũng là một loại khả năng chống chênh lệch áp suất, do sự tồn tại của sóng xung kích gây ra do sự phục hồi áp suất không đủ ở nửa sau của vật thể. Bỏ qua sự mất nhớt, khi không có sóng xung kích, sự giảm tốc của luồng không khí trong nửa sau của vật thể tương ứng với sự gia tăng áp suất Δp1; khi có sóng xung kích, luồng không khí mất đi một phần năng lượng cơ học khi đi qua sóng xung kích và độ tăng áp suất Δp2 tương ứng với cùng một mức giảm tốc sẽ nhỏ hơn Δp1. Do đó, khi có sóng xung kích, áp suất ở nửa sau của vật thể thấp hơn một chút, đây là nguồn gốc của lực cản sóng xung kích. Làm cho cạnh trước của vật thể sắc nét có thể giảm góc nón xung kích, do đó giảm tổn thất do sóng xung kích gây ra, đồng thời giảm khả năng chống sóng xung kích. Khi tàu di chuyển trên mặt nước sẽ phát sinh sóng mặt và cũng có lực cản sóng nên được làm nhọn, còn tàu ngầm di chuyển dưới nước thì làm tròn.
Sử dụng tổn thất năng lượng để giải thích khả năng chống sóng xung kích là không đủ trực tiếp. Suy cho cùng, áp suất và lực nhớt tác dụng lên bề mặt vật thể là những nhân tố trực tiếp quyết định độ lớn của lực cản. Tiếp theo, khả năng chống sóng xung kích được giải thích là do sự thay đổi của áp suất bề mặt của vật thể.
05
Ảnh hưởng của hình dạng và chất lượng bề mặt lên lực cản
Giảm sức cản là một chủ đề vĩnh cửu của cơ học chất lỏng. Việc sử dụng các đường sắp xếp hợp lý có thể làm giảm khả năng chống chênh lệch áp suất một cách hiệu quả, chủ yếu là do không có sự phân tách lớp ranh giới trên bề mặt của thân máy được sắp xếp hợp lý được thiết kế tốt, do đó làm giảm khả năng chống chênh lệch áp suất.
Ngoài hình dạng, độ nhám bề mặt của vật thể cũng ảnh hưởng đến lực cản. Nói chung, bề mặt càng mịn thì lực cản ma sát càng nhỏ, nhưng đôi khi bề mặt của vật thể cố ý thô ráp, do đó lớp ranh giới trở nên hỗn loạn để ngăn cản sự phân tách, do đó làm giảm đáng kể lực cản chênh lệch áp suất.
06
tóm tắt
Khi phân tích lực cản khí động học của một vật thể, thói quen của cơ học chất lỏng là phân chia nó theo dạng lực. Lực cản do áp suất tác dụng theo phương thẳng đứng lên bề mặt vật gọi là lực cản chênh lệch áp suất, còn lực cản do lực ma sát song song với bề mặt vật gây ra gọi là lực cản ma sát. Vì không có lực nào khác ngoài hai lực này trên bề mặt của vật thể, nên bất kỳ loại lực cản nào cũng là lực cản chênh lệch áp suất hoặc lực cản ma sát, hoặc cả hai.
Lực cản chênh lệch áp suất do phân tách dòng chảy và lực cản chênh lệch áp suất do sóng xung kích gây ra là những yếu tố lớn nhất ảnh hưởng đến lực cản khí động học của vật thể.
Các vật thể có điện trở thấp cận âm có đầu tròn và đuôi nhọn, trong khi các vật thể có điện trở thấp siêu âm có đầu nhọn.
