흐름 저항은 광범위한 문제입니다. 고속에서 자동차의 연비는 주로 지면의 마찰 저항보다는 공기 저항에 의해 결정됩니다. 스모그가 공기 중에 "서스펜딩"될 수 있는 이유는 흐름 저항 때문이기도 합니다. 이것들은 모두 공기 저항의 중요성을 보여줍니다.
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압력차 저항 및 마찰 저항
힘의 관점에서 볼 때 물체의 저항은 유체가 표면에 직접 작용하는 것입니다. 물체의 표면에 수직인 것은 유체의 압력이며, 유체에 의해 발생하는 저항을 차압 저항이라고 합니다. 물체의 표면에 평행한 것은 유체의 점성 전단력이며, 이로 인해 발생하는 저항을 마찰 저항이라고 합니다. 이 두 가지 힘 외에 다른 힘은 없습니다. 따라서 물체의 전체 저항은 압력차 저항과 마찰 저항의 합력입니다. 압력차 저항은 물체의 모양과 밀접한 관련이 있으며 마찰 저항은 주로 물체의 표면적과 관련이 있습니다.
어떤 곳에서는 압력차 저항과 마찰 저항 외에도 유도 저항, 충격파 저항 등이 있다고 하는데 이는 오해입니다. 실제로 유도 저항과 충격파 저항 모두 압력차 저항과 마찰 저항(주로 압력차 저항)에 기인할 수 있습니다.
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형상 저항 후방 저항
유체 속에서 움직이는 물체는 저항을 받는다는 것은 고대부터 알려져 왔으며 저항은 물체의 모양과 밀접한 관련이 있습니다. 그러나 원래의 유체역학 이론은 정반대의 결론에 도달했습니다. 오일러와 베르누이의 유체 운동 법칙에 따라 유체의 점성을 무시하면 유체는 그 안에서 움직이는 어떤 모양의 물체에 대해서도 저항을 생성하지 않습니다.
저항은 전적으로 점성에 기인하는 것으로 보이지만 공기의 점성은 매우 작고 이로 인해 발생하는 마찰저항은 실제 측정한 공기역학적 저항보다 훨씬 작다. 이 모순은 프랑스 수학자 D' Alembert가 제안했기 때문에 역사상 "D' Alembert의 역설"로 알려져 있습니다.
Prandtl이 경계층 이론을 제시할 때까지 사람들은 흐름 저항의 본질을 실제로 깨달았습니다. 압력차 저항은 공력 저항의 주요 구성 요소인 반면 일반 물체의 경우 압력차 저항은 주로 경계층 분리에 기인합니다.
어떤 종류의 "상식"에 기초한 초기 사람들(지금은 많은 사람들이 그렇게 생각할 것입니다)은 물체의 앞부분의 모양이 저항의 크기를 결정하고 앞부분이 더 날카로울수록 저항이 작을 것이라고 믿었습니다. . 경계층 이론에서는 물체의 뒷면의 형태를 발견하는 것이 더 중요합니다. 물체 뒷면의 모양이 경계층이 분리되는 위치와 물체 표면의 압력 분포를 결정하기 때문입니다.
일반적인 물고기와 새는 둥근 머리와 뾰족한 꼬리를 가진 비교적 완벽한 유선형 몸체입니다.
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형상 저항 전면 저항
물체의 뒤쪽 모양이 항력의 양에 결정적이지만 앞쪽 모양도 중요합니다. 예를 들어 물체의 앞면이 네모난 경우 날카로운 모서리에서 액체가 일찍 분리되고 뒷면의 세심하게 설계된 모양은 의미를 잃게 됩니다. 현재 고속도로를 달리는 트럭의 경우 달성한 형상 최적화가 주로 앞부분에 집중되고 뒷부분은 컨테이너의 형상에 의해 제한되어 작업이 덜 이루어졌습니다. 천음속으로 움직이는 물체의 경우 충격파가 추가 저항을 발생시키므로 전면부는 매우 뾰족한 모양으로 설계되어 충격파의 원추각을 작게 하여 저항을 줄입니다.
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충격파 저항
들어오는 유속이 음속에 근접하거나 초과하면 충격파가 생성되어 추가 충격파 저항을 가져옵니다. 본질적으로 충격파 저항은 압력차 저항의 일종이기도 한데, 충격파의 존재로 인해 물체의 후방 절반에서 압력 회복이 불충분하여 발생한다. 점성 손실을 무시하면 충격파가 없을 때 물체의 후반부의 기류 감속은 압력 상승 Δp1에 해당합니다. 충격파가 있을 때 공기 흐름은 충격파를 통과할 때 기계적 에너지의 일부를 부분적으로 잃고 동일한 감속에 해당하는 압력 상승 Δp2는 Δp1보다 작습니다. 따라서 충격파가 있을 때 물체의 후방 절반에 있는 압력은 조금 더 낮아지며, 이것이 충격파 저항의 원인이 됩니다. 물체의 앞 가장자리를 날카롭게 만들면 충격 원뿔 각도를 줄일 수 있으므로 충격파로 인한 손실을 줄이고 충격파 저항도 줄일 수 있습니다. 선박이 수면 위를 항해할 때 표면파를 발생시키고 내파력도 가지므로 수중을 이동하는 잠수함은 둥글게 뾰족하게 만들어야 합니다.
충격파 저항을 설명하기 위해 에너지 손실을 사용하는 것은 충분히 직접적이지 않습니다. 결국 물체 표면의 압력과 점성력은 저항의 크기를 직접적으로 결정하는 요소입니다. 다음으로 충격파 저항은 물체의 표면 압력의 변화로 설명됩니다.
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항력에 대한 모양 및 표면 품질의 영향
저항을 줄이는 것은 유체 역학의 영원한 주제입니다. 유선형을 사용하면 차압 저항을 효과적으로 줄일 수 있는데, 주로 잘 설계된 유선형 몸체의 표면에 경계층 분리가 없어 차압 저항을 감소시키기 때문입니다.
모양 외에도 객체의 표면 거칠기도 항력에 영향을 미칩니다. 일반적으로 표면이 매끄러울수록 마찰저항은 작아지지만 간혹 물체의 표면을 의도적으로 거칠게 하여 경계층이 난류가 되어 박리를 억제하여 차압저항을 크게 감소시키는 경우가 있다.
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요약하다
물체의 공기역학적 저항을 분석할 때 유체역학의 습성은 힘의 형태에 따라 구분하는 것이다. 물체의 표면에 수직으로 작용하는 압력에 의한 저항을 차압 저항이라고 하고, 물체의 표면에 평행한 마찰력에 의한 저항을 마찰 저항이라고 합니다. 물체의 표면에는 이 두 가지 힘 외에 다른 힘이 없기 때문에 모든 종류의 저항은 압력차 저항 또는 마찰 저항이거나 둘 다입니다.
유동 분리에 의한 압력차 저항과 충격파에 의한 압력차 저항은 물체의 공력 저항에 가장 큰 영향을 미치는 요인이다.
아음속 저저항 물체는 머리가 둥글고 꼬리가 뾰족한 반면, 초음속 저저항 물체는 끝이 뾰족합니다.
