Hambatan aliran adalah masalah yang luas. Konsumsi bahan bakar mobil pada kecepatan tinggi terutama berasal dari hambatan udara daripada hambatan gesekan tanah. Alasan mengapa kabut asap dapat "tertahan" di udara juga karena hambatan aliran. Ini semua menggambarkan pentingnya hambatan udara.
01
Resistensi diferensial tekanan dan resistensi gesekan
Dari sudut pandang gaya, hambatan benda adalah aksi langsung fluida pada permukaannya. Apa yang tegak lurus terhadap permukaan benda adalah tekanan fluida, dan hambatan yang dihasilkan olehnya disebut hambatan tekanan diferensial; apa yang sejajar dengan permukaan benda adalah gaya geser kental fluida, dan hambatan yang dihasilkan olehnya disebut hambatan gesek. Selain dua kekuatan ini, tidak ada kekuatan lain. Oleh karena itu, hambatan total suatu benda adalah resultan gaya dari tahanan beda tekanan dan tahanan gesek. Resistensi perbedaan tekanan terkait erat dengan bentuk objek, dan resistensi gesekan terutama terkait dengan luas permukaan objek.
Beberapa tempat mengatakan bahwa selain resistansi perbedaan tekanan dan resistansi gesekan, ada resistansi induksi, resistansi gelombang kejut, dll., Yang merupakan kesalahpahaman. Faktanya, resistensi yang diinduksi dan resistensi gelombang kejut dapat dikaitkan dengan resistensi perbedaan tekanan dan resistensi gesekan (terutama resistensi perbedaan tekanan).
02
resistensi bentuk resistensi posterior
Telah diketahui sejak zaman dahulu bahwa benda yang bergerak dalam suatu fluida akan mengalami hambatan, dan hambatan tersebut erat kaitannya dengan bentuk benda. Tetapi teori asli mekanika fluida sampai pada kesimpulan yang berlawanan. Berdasarkan hukum gerak fluida Euler dan Bernoulli, jika kekentalan fluida diabaikan, maka fluida tidak akan menghasilkan tahanan terhadap benda-benda dalam bentuk apapun yang bergerak di dalamnya.
Tampaknya resistansi sepenuhnya disebabkan oleh viskositas, tetapi viskositas udara sangat kecil, dan resistansi gesek yang dihasilkannya jauh lebih kecil daripada resistansi aerodinamis yang sebenarnya diukur. Kontradiksi ini dikenal dalam sejarah sebagai "Paradoks D'Alembert" karena dikemukakan oleh matematikawan Perancis D'Alembert.
Baru setelah Prandtl mengemukakan teori lapisan batas, orang benar-benar menyadari esensi hambatan aliran. Resistensi perbedaan tekanan adalah komponen utama dari resistensi aerodinamis, sedangkan untuk objek umum, resistensi perbedaan tekanan terutama disebabkan oleh pemisahan lapisan batas.
Orang-orang awal (mungkin banyak orang berpikir begitu sekarang) berdasarkan semacam "akal sehat", percaya bahwa bentuk bagian depan benda menentukan ukuran hambatan, dan hambatan akan kecil jika bagian depan lebih tajam. . Dengan teori lapisan batas, lebih penting untuk mengetahui bentuk bagian belakang objek. Karena bentuk bagian belakang benda menentukan dimana lapisan batas memisahkan dan dengan demikian distribusi tekanan pada permukaan benda.
Ikan dan burung biasa memiliki tubuh ramping yang relatif sempurna, dengan kepala bundar dan ekor runcing.
03
Resistensi bentuk Resistensi depan
Meskipun bentuk bagian belakang objek menentukan jumlah hambatan, bentuk bagian depan juga penting. Misalnya, jika bagian depan objek berbentuk persegi, cairan akan terpisah lebih awal di sudut tajam, dan bentuk bagian belakang yang dirancang dengan hati-hati akan kehilangan artinya. Untuk truk yang saat ini berjalan di jalan raya, optimalisasi bentuk yang dicapai terutama terkonsentrasi pada bagian depan, dan bagian belakang dibatasi oleh bentuk kontainer, sehingga pekerjaan yang dilakukan lebih sedikit. Untuk objek yang bergerak dengan kecepatan transonik, gelombang kejut akan menghasilkan resistansi tambahan, sehingga bagian depan dirancang menjadi bentuk yang sangat runcing, sehingga sudut kerucut gelombang kejut lebih kecil untuk mengurangi resistansi.
04
Resistensi gelombang kejut
Ketika kecepatan aliran masuk mendekati atau melebihi kecepatan suara, gelombang kejut akan dihasilkan, yang akan membawa resistensi gelombang kejut tambahan. Intinya, resistensi gelombang kejut juga merupakan jenis resistensi perbedaan tekanan, yang disebabkan oleh pemulihan tekanan yang tidak mencukupi di bagian belakang objek karena adanya gelombang kejut. Mengabaikan kehilangan kental, ketika tidak ada gelombang kejut, perlambatan aliran udara di paruh kedua objek sesuai dengan kenaikan tekanan Δp1; ketika ada gelombang kejut, aliran udara sebagian kehilangan sebagian energi mekanik ketika melewati gelombang kejut, dan kenaikan tekanan Δp2 yang sesuai dengan perlambatan yang sama akan lebih kecil dari Δp1. Oleh karena itu, ketika ada gelombang kejut, tekanan di bagian belakang benda sedikit lebih rendah, yang merupakan sumber resistensi gelombang kejut. Mempertajam tepi depan objek dapat mengurangi sudut kerucut kejut, sehingga mengurangi kerugian yang disebabkan oleh gelombang kejut, dan juga mengurangi ketahanan gelombang kejut. Saat kapal berlayar di permukaan air akan menimbulkan gelombang permukaan dan juga memiliki hambatan gelombang, sehingga harus dibuat runcing, sedangkan kapal selam yang berjalan di bawah air berbentuk bulat.
Menggunakan kehilangan energi untuk menjelaskan resistensi gelombang kejut tidak cukup langsung. Bagaimanapun, tekanan dan gaya kental pada permukaan suatu benda adalah faktor yang secara langsung menentukan besarnya hambatan. Selanjutnya, resistensi gelombang kejut dijelaskan oleh perubahan tekanan permukaan objek.
05
Pengaruh bentuk dan kualitas permukaan pada drag
Mengurangi resistensi adalah tema abadi mekanika fluida. Penggunaan streamline dapat secara efektif mengurangi resistansi tekanan diferensial, terutama karena tidak ada pemisahan lapisan batas pada permukaan bodi streamline yang dirancang dengan baik, sehingga mengurangi resistansi tekanan diferensial.
Selain bentuk, kekasaran permukaan suatu benda juga mempengaruhi drag. Umumnya, semakin halus permukaannya, semakin kecil tahanan geseknya, tetapi terkadang permukaan benda sengaja dibuat kasar, sehingga lapisan batas menjadi turbulen untuk menghambat pemisahan, sehingga secara signifikan mengurangi tahanan diferensial tekanan.
06
Meringkaskan
Saat menganalisis hambatan aerodinamis suatu benda, kebiasaan mekanika fluida adalah membaginya menurut bentuk gaya. Hambatan yang ditimbulkan oleh tekanan yang bekerja secara vertikal pada permukaan benda disebut hambatan tekanan diferensial, sedangkan hambatan yang ditimbulkan oleh gaya gesek yang sejajar dengan permukaan benda disebut hambatan gesek. Karena tidak ada gaya selain kedua gaya ini pada permukaan suatu benda, hambatan apa pun adalah hambatan perbedaan tekanan atau hambatan gesekan, atau keduanya.
Hambatan perbedaan tekanan yang disebabkan oleh pemisahan aliran dan hambatan perbedaan tekanan yang disebabkan oleh gelombang kejut adalah faktor terbesar yang mempengaruhi hambatan aerodinamis benda.
Objek resistansi rendah subsonik memiliki kepala bulat dan ekor runcing, sedangkan objek resistansi rendah supersonik memiliki ujung runcing.
