La resistencia al flujo es un problema de gran alcance. El consumo de combustible de un automóvil a alta velocidad proviene principalmente de la resistencia del aire más que de la resistencia por fricción del suelo. La razón por la que el smog se puede "suspender" en el aire también se debe a la resistencia al flujo. Todos estos ilustran la importancia de la resistencia del aire.
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Resistencia diferencial de presión y resistencia friccional
Desde el punto de vista de la fuerza, la resistencia del objeto es la acción directa del fluido sobre su superficie. Lo que es perpendicular a la superficie del objeto es la presión del fluido, y la resistencia que genera se llama resistencia a la presión diferencial; lo que es paralelo a la superficie del objeto es la fuerza cortante viscosa del fluido, y la resistencia que genera se llama resistencia friccional. Aparte de estas dos fuerzas, no hay otra fuerza. Por lo tanto, la resistencia total de un objeto es la fuerza resultante de la resistencia a la diferencia de presión y la resistencia a la fricción. La resistencia a la diferencia de presión está estrechamente relacionada con la forma del objeto, y la resistencia a la fricción está relacionada principalmente con el área superficial del objeto.
Algunos lugares dicen que además de la resistencia a la diferencia de presión y la resistencia a la fricción, hay resistencia inducida, resistencia a las ondas de choque, etc., lo cual es un malentendido. De hecho, tanto la resistencia inducida como la resistencia a las ondas de choque se pueden atribuir a la resistencia a la diferencia de presión ya la resistencia a la fricción (principalmente a la resistencia a la diferencia de presión).
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resistencia de forma resistencia posterior
Se sabe desde la antigüedad que los objetos que se mueven en un fluido experimentarán resistencia, y la resistencia está estrechamente relacionada con la forma del objeto. Pero la teoría original de la mecánica de fluidos llegó a la conclusión opuesta. Según las leyes del movimiento de fluidos de Euler y Bernoulli, si se ignora la viscosidad del fluido, el fluido no producirá resistencia a los objetos de cualquier forma que se muevan en él.
Parece que la resistencia es causada completamente por la viscosidad, pero la viscosidad del aire es muy pequeña y la resistencia de fricción que produce es mucho menor que la resistencia aerodinámica medida en realidad. Esta contradicción se conoce en la historia como "Paradoja de D'Alembert" porque fue propuesta por el matemático francés D'Alembert.
No fue hasta que Prandtl presentó la teoría de la capa límite que la gente realmente se dio cuenta de la esencia de la resistencia al flujo. La resistencia a la diferencia de presión es el componente principal de la resistencia aerodinámica, mientras que para objetos generales, la resistencia a la diferencia de presión se debe principalmente a la separación de la capa límite.
Las primeras personas (tal vez muchas personas lo piensen ahora) basándose en algún tipo de "sentido común", creían que la forma de la parte frontal del objeto determina el tamaño de la resistencia, y la resistencia será pequeña si la parte frontal es más afilada. . Con la teoría de la capa límite, es más importante descubrir la forma de la parte posterior del objeto. Porque la forma de la parte posterior del objeto determina dónde se separa la capa límite y, por lo tanto, la distribución de la presión en la superficie del objeto.
Los peces y las aves comunes son cuerpos aerodinámicos relativamente perfectos, con cabezas redondas y colas puntiagudas.
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Resistencia de forma Resistencia frontal
Aunque la forma de la parte trasera del objeto es decisiva para la cantidad de resistencia, la forma de la parte delantera también es importante. Por ejemplo, si la parte delantera del objeto es cuadrada, el líquido se separará pronto en las esquinas afiladas y la forma cuidadosamente diseñada de la parte trasera perderá su significado. Para los camiones que circulan actualmente por carretera, la optimización de la forma que se ha logrado se concentra principalmente en la parte delantera y la parte trasera está limitada por la forma del contenedor, por lo que se ha realizado menos trabajo. Para los objetos que se mueven a una velocidad transónica, la onda de choque generará una resistencia adicional, por lo que la parte frontal está diseñada con una forma muy puntiaguda, de modo que el ángulo del cono de la onda de choque sea más pequeño para reducir la resistencia.
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Resistencia a ondas de choque
Cuando la velocidad del flujo entrante se acerca o supera la velocidad del sonido, se generarán ondas de choque, lo que traerá una resistencia adicional a las ondas de choque. En esencia, la resistencia a las ondas de choque es también un tipo de resistencia a la diferencia de presión, que es causada por una recuperación de presión insuficiente en la mitad trasera del objeto debido a la existencia de ondas de choque. Despreciando la pérdida viscosa, cuando no hay onda de choque, la desaceleración del flujo de aire en la segunda mitad del objeto corresponde a un aumento de presión Δp1; cuando hay una onda de choque, el flujo de aire pierde parcialmente parte de la energía mecánica al atravesar la onda de choque, y el aumento de presión Δp2 correspondiente a la misma desaceleración será menor que Δp1. Por lo tanto, cuando hay una onda de choque, la presión en la mitad trasera del objeto es un poco más baja, que es la fuente de la resistencia de la onda de choque. Hacer que el borde frontal del objeto sea afilado puede reducir el ángulo del cono de choque, lo que reduce la pérdida causada por la onda de choque y también reduce la resistencia de la onda de choque. Cuando el barco viaja sobre la superficie del agua, generará ondas superficiales y también tendrá resistencia a las olas, por lo que debe hacerse puntiagudo, mientras que el submarino que viaja bajo el agua es redondeado.
Usar la pérdida de energía para explicar la resistencia a las ondas de choque no es lo suficientemente directo. Después de todo, la presión y la fuerza viscosa sobre la superficie de un objeto son los factores que determinan directamente la magnitud de la resistencia. A continuación, la resistencia a las ondas de choque se explica por el cambio de la presión superficial del objeto.
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Efecto de la forma y la calidad de la superficie en el arrastre
Reducir la resistencia es un tema eterno de la mecánica de fluidos. El uso de líneas aerodinámicas puede reducir efectivamente la resistencia a la presión diferencial, principalmente porque no hay separación de la capa límite en la superficie de un cuerpo aerodinámico bien diseñado, lo que reduce la resistencia a la presión diferencial.
Además de la forma, la rugosidad de la superficie de un objeto también afecta la resistencia. Generalmente, cuanto más suave es la superficie, menor es la resistencia por fricción, pero a veces la superficie del objeto es áspera intencionalmente, de modo que la capa límite se vuelve turbulenta para inhibir la separación, lo que reduce significativamente la resistencia a la diferencia de presión.
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Resumir
Al analizar la resistencia aerodinámica de un objeto, la mecánica de fluidos tiene la costumbre de dividirla según la forma de la fuerza. La resistencia causada por la presión que actúa verticalmente sobre la superficie del objeto se llama resistencia de presión diferencial, mientras que la resistencia causada por la fuerza de fricción paralela a la superficie del objeto se llama resistencia de fricción. Dado que no hay otra fuerza que estas dos fuerzas en la superficie de un objeto, cualquier tipo de resistencia es resistencia a la diferencia de presión o resistencia a la fricción, o ambas.
La resistencia a la diferencia de presión causada por la separación del flujo y la resistencia a la diferencia de presión causada por la onda de choque son los factores más importantes que afectan la resistencia aerodinámica de los objetos.
Los objetos subsónicos de baja resistencia tienen cabezas redondas y colas puntiagudas, mientras que los objetos supersónicos de baja resistencia tienen extremos puntiagudos.
