מהי עמידות לנוזלים

התנגדות זרימה היא בעיה נרחבת. צריכת הדלק של מכונית במהירות גבוהה נובעת בעיקר מהתנגדות האוויר ולא מהתנגדות חיכוך הקרקע. הסיבה שבגללה ניתן "להרחיק" ערפיח באוויר נובעת גם מהתנגדות הזרימה. כל אלה ממחישים את חשיבות התנגדות האוויר.

התנגדות הפרשי לחץ והתנגדות חיכוך

מנקודת מבט של כוח, ההתנגדות של האובייקט היא הפעולה הישירה של הנוזל על פני השטח שלו. מה שניצב לפני השטח של העצם הוא לחץ הנוזל, וההתנגדות שנוצרת על ידו נקראת התנגדות לחץ דיפרנציאלית; מה שמקביל לפני השטח של העצם הוא כוח הגזירה הצמיג של הנוזל, וההתנגדות שנוצרת על ידו נקראת התנגדות חיכוך. מלבד שני הכוחות הללו, אין כוח אחר. לכן, ההתנגדות הכוללת של עצם היא הכוח הנובע של התנגדות הפרשי לחץ והתנגדות חיכוך. התנגדות הפרש הלחץ קשורה קשר הדוק לצורת האובייקט, והתנגדות החיכוך קשורה בעיקר לשטח הפנים של האובייקט.

יש מקומות שאומרים שבנוסף להתנגדות הפרשי לחץ והתנגדות חיכוך, יש התנגדות מושרה, התנגדות לגלי הלם וכו', וזו אי הבנה. למעשה, ניתן לייחס גם התנגדות מושרית וגם התנגדות לגלי הלם להתנגדות הפרשי לחץ והתנגדות חיכוך (בעיקר התנגדות להפרשי לחץ).

התנגדות צורה התנגדות אחורית

כבר מימי קדם ידוע שעצמים הנעים בנוזל יחוו התנגדות, וההתנגדות קשורה קשר הדוק לצורת העצם. אבל התיאוריה המקורית של מכניקת הזרימה הגיעה למסקנה הפוכה. בהתבסס על חוקי תנועת הנוזל של אוילר וברנולי, אם מתעלמים מצמיגות הנוזל, הנוזל לא יפיק עמידות בפני עצמים מכל צורה הנעים בו.

נראה שההתנגדות נגרמת לחלוטין מצמיגות, אך צמיגות האוויר קטנה מאוד, והתנגדות החיכוך המופקת ממנה קטנה בהרבה מההתנגדות האווירודינמית הנמדדת בפועל. סתירה זו ידועה בהיסטוריה כ"פרדוקס ד'אלמבר" מכיוון שהיא הוצעה על ידי המתמטיקאי הצרפתי ד'אלמבר.

רק כשפרנדל הציג את תיאוריית שכבת הגבול, אנשים באמת הבינו את המהות של התנגדות הזרימה. התנגדות הפרשי לחץ היא המרכיב העיקרי בהתנגדות אווירודינמית, בעוד שלאובייקטים כלליים, התנגדות הפרשי לחץ נובעת בעיקר מהפרדת שכבות גבול.

אנשים מוקדמים (אולי אנשים רבים חושבים כך עכשיו) על סמך סוג של "שכל ישר", האמינו שצורת החלק הקדמי של האובייקט קובעת את גודל ההתנגדות, וההתנגדות תהיה קטנה אם החלק הקדמי חד יותר . עם תורת שכבת הגבול, חשוב יותר לגלות את צורת החלק האחורי של האובייקט. כי צורת החלק האחורי של העצם קובעת היכן נפרדת שכבת הגבול ובכך את חלוקת הלחץ על פני האובייקט.

דגים וציפורים מצויים הם גופים יעילים יחסית מושלמים, עם ראשים עגולים וזנבות מחודדים.

התנגדות לצורה התנגדות קדמית

למרות שצורת החלק האחורי של האובייקט קובעת את כמות הגרר, גם צורת החלק הקדמי חשובה. לדוגמה, אם החלק הקדמי של החפץ מרובע, הנוזל ייפרד מוקדם בפינות החדות, והצורה המעוצבת בקפידה של החלק האחורי תאבד את משמעותה. עבור המשאיות הפועלות כיום על הכביש המהיר, אופטימיזציית הצורה שהושגה מתרכזת בעיקר בחלק הקדמי, והחלק האחורי מוגבל על ידי צורת המכולה, כך שנעשתה פחות עבודה. עבור עצמים הנעים במהירות טרנסונית, גל ההלם יפיק התנגדות נוספת, ולכן החלק הקדמי מתוכנן לצורה מחודדת מאוד, כך שזווית החרוט של גל ההלם קטנה יותר כדי להפחית את ההתנגדות.

התנגדות לגלי הלם

כאשר מהירות הזרימה הנכנסת מתקרבת או עולה על מהירות הקול, יווצרו גלי הלם, שיביאו התנגדות נוספת לגלי הלם. במהותה, התנגדות גלי הלם היא גם סוג של התנגדות להפרשי לחץ, אשר נגרמת מהתאוששות לחץ לא מספקת בחציו האחורי של האובייקט עקב קיומם של גלי הלם. בהזנחה של האובדן הצמיג, כאשר אין גל הלם, האטת זרימת האוויר במחצית השנייה של האובייקט תואמת לעלייה בלחץ Δp1; כאשר יש גל הלם, זרימת האוויר מאבדת חלקית מהאנרגיה המכנית כאשר היא עוברת דרך גל ההלם, ועליית הלחץ Δp2 המקבילה לאותה האטה תהיה קטנה מ-Δp1. לכן, כאשר יש גל הלם, הלחץ בחצי האחורי של האובייקט מעט נמוך יותר, וזה המקור להתנגדות גלי ההלם. הפיכת הקצה הקדמי של האובייקט לחד יכול להפחית את זווית חרוט ההלם, ובכך להפחית את האובדן הנגרם על ידי גל ההלם, וגם להפחית את התנגדות גלי ההלם. כאשר הספינה נוסעת על פני המים, היא תיצור גלים עיליים וגם תהיה בעלת התנגדות לגלים, ולכן יש להפוך אותה מחודדת, בעוד הצוללת הנוסעת מתחת למים מעוגלת.

שימוש באובדן אנרגיה כדי להסביר התנגדות לגלי הלם אינו ישיר מספיק. אחרי הכל, הלחץ והכוח הצמיג על פני השטח של עצם הם הגורמים שקובעים ישירות את גודל ההתנגדות. לאחר מכן, התנגדות גלי ההלם מוסברת על ידי השינוי בלחץ פני השטח של האובייקט.

השפעת הצורה ואיכות פני השטח על הגרירה
הפחתת ההתנגדות היא נושא נצחי של מכניקת נוזלים. השימוש בקווי יעילות יכול להפחית ביעילות את התנגדות הלחץ ההפרש, בעיקר בגלל שאין הפרדת שכבת גבול על פני השטח של גוף מעוצב היטב, ובכך להפחית את התנגדות הלחץ ההפרש.

בנוסף לצורה, חספוס פני השטח של אובייקט משפיע גם על הגרירה. בדרך כלל, ככל שהמשטח חלק יותר, התנגדות החיכוך קטנה יותר, אך לפעמים פני האובייקט מחוספסים בכוונה, כך ששכבת הגבול הופכת סוערת כדי לעכב הפרדה, ובכך מפחיתה משמעותית את התנגדות הפרש הלחץ.

לְסַכֵּם

כאשר מנתחים את ההתנגדות האווירודינמית של עצם, ההרגל של מכניקת הנוזלים הוא לחלק אותו לפי צורת הכוח. ההתנגדות הנגרמת מהלחץ הפועל אנכית על פני העצם נקראת התנגדות לחץ דיפרנציאלית, בעוד שההתנגדות הנגרמת מכוח החיכוך המקביל לפני השטח של העצם נקראת התנגדות חיכוך. מכיוון שאין כוח מלבד שני הכוחות הללו על פני השטח של עצם, כל סוג של התנגדות הוא התנגדות הפרשי לחץ או התנגדות חיכוך, או שניהם.

התנגדות הפרש הלחץ הנגרמת על ידי הפרדת זרימה והתנגדות הפרש הלחץ הנגרמת על ידי גלי הלם הם הגורמים הגדולים ביותר המשפיעים על ההתנגדות האווירודינמית של עצמים.

לאובייקטים תת-קוליים בעלי התנגדות נמוכה יש ראשים עגולים וזנבות מחודדים, בעוד שלאובייקטים על-קוליים בעלי התנגדות נמוכה יש קצוות מחודדים.