드래그(물리학)

유체 역학에서 드래그(공기 저항, 마찰의 일종 또는 유체 저항이라고도 함)는 주변 ^[1]유체에 대해 움직이는 물체의 상대적인 움직임과 반대로 작용하는 힘이다.이는 2개의 유체층(또는 표면) 사이 또는 유체층과 고체 표면 사이에 존재할 수 있습니다.속도에 거의 독립적인 건식 마찰과 같은 다른 저항력과 달리 항력은 속도에 따라 달라집니다.^[2][3]

드래그력은 저속 흐름의 속도와 고속 흐름의 제곱 속도에 비례하며, 여기서 저속과 고속의 구별은 레이놀즈 수로 측정됩니다.항력의 궁극적인 원인은 점성 마찰이지만 난류 항력은 ^[4]점도와 무관합니다.

드래그 힘은 항상 유체 경로의 고체 물체에 비해 유체 속도를 감소시키는 경향이 있습니다.

예

항력의 예는 그물이나 유체 공기력의 구성 요소를 반대 자동차 같은 단단한 물체, aircraft[3]과 배를 껍질(자동차 항력 계수)의 이동 방향에;이나 운동 같은 지리적 방향으로 고체로서, 돛 순풍 돛 배 또는intermed에 첨부에 역할을 포함한다.iate 돛의 방향은 ^[5][6][7]돛의 지점에 따라 달라집니다.파이프 내 유체의 점성 항력의 경우 부동 파이프에 대한 항력 때문에 ^[8][9]파이프에 대한 유체 속도가 감소합니다.

스포츠 물리학에서, 견인력은 공, 창, 화살, 프리스비의 움직임과 달리기 선수와 ^[10]수영 선수의 성능을 설명하기 위해 필요하다.

종류들

형태와 흐름	형태 드래그	피부. 마찰
	≈0%	≈100%
	≈10%	≈90%
	≈90%	≈10%
	≈100%	≈0%

드래그 유형은 일반적으로 다음과 같은 범주로 나뉩니다.

• 물체의 크기와 모양에 따라 항력 또는 항력을 형성한다.
• 물체의 외부 또는 파이프의 보어 등의 내부일 수 있는 유체와 표면 사이의 마찰로 인한 피부 마찰 항력 또는 점성 항력

유선형 바디인 에어포일과 블러프 바디인 실린더 등 두 가지 바디섹션에서 피부마찰과 폼드래그의 상대적 비율에 대한 유선형 효과가 나타난다.또한 방향이 피부 마찰의 상대적 비율과 앞과 뒤의 압력 차이에 미치는 영향을 보여주는 평판도 나와 있습니다.차체는 드래그 소스가 압력에 의해 지배되는 경우 블러프(또는 블러프)라고 하며, 드래그 요소가 점성력에 의해 지배되는 경우 유선형입니다.도로용 차량은 험한 ^[11]차종이다.항공기의 경우 압력 및 마찰 항력은 기생 항력의 정의에 포함된다.기생충 항력은 종종 흐름과 수직인 평판의 면적인 "등가 기생충 항력 영역"을 가정(가장자리를 흘리는^[12] 항력이 없는 한)로 표현된다.다른 항공기의 항력을 비교하는 데 사용됩니다.예를 들어, Douglas DC-3는 23.7평방피트, McDonnell Douglas DC-9는 30년 동안 항공기 설계가 발전한 20.6평방피트 면적의 기생충 면적을 가지고 있지만, 5배의 승객을 ^[13]태웠다.

• 양력에 의한 항력은 항공에서 날개 또는 리프팅 본체와 함께 나타나며, 수상용 반평면 또는 평면 선체와 함께 나타난다.
• 파동 항력(파동역학)은 충격파의 존재에 의해 발생하며 국소 유속이 초음속이 될 때 아음속 항공기 속도에서 처음 나타난다.초음속 콩코드 시제품 항공기의 파동 항력은 생산 ^[14]항공기에 후방 동체를 3.73m 연장하는 면적 규칙을 적용하여 마하 2로 1.8% 감소하였다.
• 고체 물체가 유체 경계를 따라 움직이며 표면파를 만들 때 파동 저항(선박 유체역학) 또는 파동 항력이 발생한다
• 항공기의 보트 꼬리 항력은 후면 동체 또는 엔진 나셀이 엔진 배기 ^[15]직경으로 좁아지는 각도에 의해 발생한다.

• 

  '높은' 웨이브 드래그 테일이 있는 콩코드

• 

  '낮은' 웨이브 드래그 테일이 있는 콩코드

• 

  원형 엔진 배기 위에 베이스 영역을 나타내는 호크 항공기

드래그 방정식

끌기는 유체의 특성과 물체의 크기, 모양 및 속도에 따라 달라집니다.이를 표현하는 한 가지 방법은 드래그 방정식을 사용하는 것입니다.

${\displaystyle F_{D},=,{\tfrac {1}{2}},\rho,v^{2},C_{D},A}$

어디에

$($ F_${D})$는 견인력입니다.

$§(\displaystyle$\rho$)$는 ^[16]유체의 밀도입니다.

$\displaystyle$v는 유체에 대한$$ 물체의 속도입니다.

$\displaystyle$A는$$ 단면적입니다.

${\displaystyle C_{}}$ D$(\$는 드래그 계수(차원 없는 수)입니다.

드래그 계수는 물체의 모양과 레이놀즈 수에 따라 달라집니다.

${\displaystyle R_{}}$ e ${\displaystyle {}_{}}$ ${\displaystyle \frac{v}{}}$ D ${\displaystyle \frac{}{}}$ ${\displaystyle =}$ ${\displaystyle \frac{\rho }{}}$ v ${\displaystyle \frac{}{}}$μ { $displaystyle R_{e$ } =$vfrac${ $vD}{\$nu }} =$vfrac$ {$rho vD}{\mu$

어디에

$(Displaystyle$ D$)$는 특정 특성 직경 또는 선형 치수입니다.$실제로{\displaystyle }$D는 $물체$의$$직경 De(${\displaystyle {Displaystyle}_{}}$ $D_{e})$와 동일합니다.$구체{\displaystyle {}_{}}$ ${\displaystyle D_{}}$ e$(\$의 경우 구체 자체의 D입니다.

운동방향의 직사각형 단면에 ${\displaystyle {대하여}_{}}$ D e ${\displaystyle {}_{}1.30\frac{}{}}$µ ( ${\displaystyle \frac{a}{}}$ ${\displaystyle \frac{\le {}^{}b}{}}$ )${\displaystyle \frac{{\mathrm{}0}^{}}{}}$.${\displaystyle \frac{{625}^{}}{}}$ ${\displaystyle \frac{{}^{}}{a}}$ +${\displaystyle \frac{{}^{}}{}}$b )${\displaystyle \frac{{\mathrm{}0}^{}}{}}$.${\displaystyle \frac{{25}^{}}{}}$({$displaystyle D_{e} = 1.30\cdot {(a\cdot$ b$)^0$.625$}} {{(a+b)^0$.25$\})$이며, 단면은 b의 모서리 및 직사각형이다.

$δ$${\$$displaystyle$ {\nu$$$}}$은 유체의 운동학적 점도를$μdisplaystyle {\$$displaystyle$} $밀도$로 나눈 값입니다.

$낮은{\displaystyle {}_{}}$ ${\displaystyle R_{}}$ e$(\$에서 C $(\$는 ${\displaystyle R_{}^{}}$e -$$(\$displaystyle R_{e}^-1$에 점근적으로 비례합니다. 즉, 끌림이 속도에 선형 비례함을 의미합니다. 즉, Stokes 법칙에 의해 결정됩니다.

${\displaystyle F_{\rm {d}}=6\pi \mu Rv}$

${\displaystyle {하이}_{}}$ R$$e(\$displaystyle R_{$e$\})$에서는$$C D(\$displaystyle C_{$D$$})는 어느 정도 일정하며 드래그 값은 속도의 제곱에 따라 달라집니다.오른쪽 그래프는 구형의 경우 C $(\$와 ${\displaystyle R_{}}$ e$(\$})의$$ $차이$를 나타내고 있습니다.드래그력을 극복하는 데 필요한 힘은 힘 곱하기 속도의 곱이기 때문에 드래그 극복에 필요한 힘은 레이놀즈 수치가 낮을 때 속도의 제곱과 높은 숫자의 속도의 세제곱에 따라 달라집니다.

드래그 포스가 베잔 ^[17]수와 동일한 차원 없는 수의 함수로 표현될 수 있음을 증명할 수 있다.따라서 드래그력과 드래그 계수는 베잔수의 함수가 될 수 있다.실제로 드래그 포스의 표현으로부터 다음과 같이 얻을 수 있습니다.

${\displaystyle D=\Delta_{p}A_{w}=blashfrac {1}{2}}C_{D}A_{f}{\frac{nu\mu}{l^{2}}Re_{L}^{2}}$

따라서 드래그 $계수{\displaystyle {}_{}}$ C $(\$를 Bejan 번호 및 습윤 ${\displaystyle {영역}_{}}$ A$(\$와 전면 $영역{\displaystyle {}_{}}$ $(\$^[17] 사이의 비율로 표시할 수 있습니다.

${\displaystyle C_{D}=2{\frac {A_{w}}{A_{f}}{\frac {Be}{Re_{L}^2}}}$

${\displaystyle {}_{}}$서 R ${\displaystyle e_{}}$L(\$displaystyle Re_{L})$은 유체 경로 길이 L과 관련된 레이놀즈 숫자입니다.

고속으로

전술한 바와 같이 항력계수가 일정한 항력방정식은 비교적 큰 속도로 유체를 이동하는 물체에 의해 경험되는 힘을 준다(즉, 높은 레이놀즈수 Re > ~1000).이를 2차 드래그라고도 합니다.이 방정식은 원래 A(L은 일부 길이) 대신 L을 사용한² Rayleigh 경에 기인합니다.

${\displaystyle F_{D},=,{\tfrac {1}{2}},\rho,v^{2},C_{d},A,}$

^{파생 참조}

기준 영역 A는 종종 물체(전면 영역)의 직각 투영(운동 방향과 수직인 평면 위)입니다. 예를 들어, 구체와 같이 단순한 형상을 가진 물체의 경우, 이것은 단면 영역입니다.때로는 본체가 각각 다른 기준 영역을 갖는 서로 다른 부품의 복합체일 수 있으며, 이 경우 각각의 서로 다른 영역에 해당하는 드래그 계수를 결정해야 합니다.

날개의 경우 기준 면적이 동일하며 견인력은 리프트력에 대한 드래그 계수와 리프트 ^[18]계수의 비율과 동일하다.따라서, 날개의 기준은 종종 전면 영역이 아닌 리프팅 영역("^[19]날개 영역")이다.

표면이 매끄럽고 구체나 원형 실린더와 같은 고정되지 않은 분리점이 있는 물체의 경우, 드래그 계수는 레이놀즈 수_e R에 따라 매우 높은 값(차수⁷ 10의 R)까지_e 달라질 수 있습니다.^{[20] [21]} 플로우 방향에 대해 평면이 수직인 원형 디스크와 같이 명확하게 정의된 분리점을 가진 물체의 경우 드래그 계수는 R ^[21]> 3,500으로 일정합니다_e.또한 항력계수_d C는 일반적으로 물체에 대한 흐름의 방향 함수(구 등의 대칭물체와는 별개)이다.

힘

현재 사용되는 기준 시스템에 비해 오일이 이동하지 않는다고 가정할 때 공기역학적 항력을 극복하는 데 필요한 동력은 다음과 같습니다.

${\displaystyle P_{d}=\mathbf {F}_{d}\cdot \mathbf {v} =tfrac {1}{2}}\rho v^{3}AC_{d}}$

유체를 통해 물체를 밀어내는 데 필요한 힘은 속도의 세제곱에 따라 증가합니다.80km/h(50mph)의 속도로 고속도로를 주행하는 차량은 공기역학적 항력을 극복하는 데 10마력(7.5kW)만 필요할 수 있지만, 160km/h(100mph)의 동일한 속도에서는 80h(60kW)^[22]가 필요합니다.속도가 2배로 증가하면 항력(힘)이 공식당 4배로 증가합니다.일정한 거리에서 4배의 힘을 가하면 4배의 작업이 발생합니다.2배의 속도에서는 작업(고정 거리에 걸쳐 변위)이 2배의 속도로 수행됩니다.전력은 일을 하는 비율이기 때문에, 절반의 시간에 4배의 작업이 이루어지면 8배의 전력이 필요합니다.

오일이 기준 시스템에 대해 상대적으로 이동할 때(예: 역풍으로 주행하는 차량) 공기역학적 항력을 극복하는 데 필요한 동력은 다음과 같습니다.

${\displaystyle P_{d}=\mathbf {F}_{d}\cdot \mathbf {v_{o} =tfrac {1}{2}A\rho(v_{w}+v_{o})^{2}v_{o}$

${\displaystyle {여기}_{}}$서 v w$${\$displaystyle v_{w}$는 풍속, ${\displaystyle v_{}}$o {\$displaystyle v_{o$}}는$$ 물체 속도(양쪽 모두 지면에 대한 상대)입니다.

낙하하는 물체의 속도

시간 t = 0일 때 0 상대편차 v = 0에서 방출되는 물체의 시간 함수로서의 속도는 대략 쌍곡선 탄젠트(tanh)를 포함하는 함수에 의해 주어진다.

$({displaystyle v(t)=sqrrt {2mg}{\rho AC_{d}}}}\tanh \left(tcrac {g\rho C_{d}A}{2m}}\오른쪽).\,}$

쌍곡선 탄젠트는 시간 t가 클 경우 한계값이 1입니다.즉, 속도는 점근적으로 종단 속도_t v:

$({displaystyle v_{t}={frac {2mg}{\rho AC_{d}}}}}},$

시간 t = 0에서 상대 결합 v = v에서_i 낙하하고 방출되는 물체의 경우_i, v_t < v는 쌍곡선 접선 함수로 정의됩니다.

$\displaystyle v(t)=v_{t}\tanh \left(tvfrac {g}{v_{t}}+\operatorname {arctanh}\left\frac {v_{t}}\right).\,}$

v > v의_t 경우_i 속도 함수는 쌍곡선 코탄젠트 함수로 정의됩니다.

$({displaystyle v(t)=v_{t}\coth \left(t440frac {g}{v_{t}}+\coth ^{-1}\left\frac {v_{t}}\right)\,}$

또한 쌍곡선 코탄젠트에는 시간 t가 클 때 1의 한계값이 있습니다.속도는 점근적으로 v보다 위에서부터_t 정확히 종단 속도_t v에 영향을 미친다.

v = v의_t 경우_i 속도는 일정합니다.

${\displaystyle v(t)=v_{t},}$

실제로 이러한 함수는 다음과 같은 미분 방정식의 해법에 의해 정의됩니다.

${\displaystyle g-{\frac {rho AC_{d}}{2m}}v^{2}=blac {dv}{dt}},$

또는 보다 일반적으로 (여기서 F(v)는 드래그 이상의 물체에 작용하는 힘)

${\displaystyle {1}{m}\sum F(v)-{\frac {rho AC_{d}}{2m}}v^{2}=subfrac {dv}{dt}}},$

평균 직경 d 및 밀도 θ의_obj 감자 모양 물체의 경우 종단 속도는 약

${\displaystyle v_{t}=sqrt {gdsqfrac {rho _{obj}}{\rho }}},$

해수면에서 지구 표면 근처의 공기 중에 떨어지는 물 같은 밀도의 물체(빗방울, 우박, 살아있는 물체(암컷, 조류, 곤충 등)의 경우, 종단 속도는 대략 다음과 같다.

${\displaystyle v_{t}=90grt {d},}$

d 단위는 미터_t, v 단위는 m/s입니다.예를 들어 인체( ${\displaystyle d}$\$displaystyle \mathbf {} d$0 0.6 m) ${\displaystyle v_{}}$ t$$\$displaystyle \mathbf {} v_{t$$}$ ≈$$ 70 m/s 70 、 고양이와 같은 ${\displaystyle 작은}$ 동물($$d\$displaystyle$ \$mathbf${} d$}$ $$0 0.2 m) $\displaystyle \mathbf {s$ } v_40 m/s} $$。${\displaystyle v_{}}$ t$$\$displaystyle$$$\$mathbf${} $v_{t}$ $$2020 m/s, 곤충의 경우 (${\displaystyle d}$\$displaystyle$ \$mathbf {} d$0 0.01 m) ${\displaystyle v{}_{}}$ ${\displaystyle t_{}}$\$displaystyle \mathbf${} $v_{t}$ $$99 m/s 등).낮은 레이놀즈 수에서 매우 작은 물체(폴렌 등)의 종단 속도는 스토크스 법칙에 의해 결정된다.

종말 속도는 큰 생명체가 더 높기 때문에 더 치명적일 수 있습니다.종말 속도로 떨어지는 생쥐와 같은 생명체는 종말 속도로 떨어지는 사람보다 땅과의 충돌에서 살아남을 가능성이 훨씬 더 높다.귀뚜라미와 같은 작은 동물은 아마도 그것의 마지막 속도로 충돌할 때 다치지 않을 것이다.이것은 사지 단면적 대 체질량의 상대적 비율(일반적으로 정사각형-입방체 법칙이라고 함)과 결합되어 매우 작은 동물들이 큰 높이에서 떨어져 ^[23]해를 입지 않는 이유를 설명한다.

매우 낮은 레이놀즈 수:스토크스 드래그

비스코스 저항 또는 선형 항력에 대한 방정식은 난류가 없는 비교적 느린 속도로 유체 속을 이동하는 물체 또는 입자에 적합합니다(예: 낮은 레이놀즈 수, e< \ $displaystyle R_{e}$ <$1$ ).^[24]이 정의에 따르면 순수 층류만 Re = 0.1까지 존재합니다.이 경우 드래그 힘은 속도에 거의 비례합니다.비스코스 저항 방정식은 다음과 같습니다.^[25]

${\displaystyle \mathbf {F} _{d}=-b\mathbf {v},}$

여기서:

${\displaystyle$ \$mathbf${} b$}$는 물체와 유체의 재료 특성 및 물체의 형상에 따라 달라지는 상수입니다.

$\$객체의$$ 속도입니다.

물체가 정지 상태에서 떨어질 때, 그 속도는

$({displaystyle v(t)=frac {(\rho -\rho _{0}),V,g}{b}}\left(1-e^{-b,t/m}\right)})$

여기서:

$§(\displaystyle$\rho$)$는 물체의 밀도입니다.

$0$ ($displaystyle$ \$rho _${ 0$$ } )는 유체의 밀도입니다.

$(\displaystyle$ V$)$는 물체의 부피입니다.

$(\displaystyle$ g$)$는 중력에 의한 가속도입니다(예: 9.8m/${\displaystyle {}^{\mathrm{}}}$ 2$(\$^{$2}}).$

$\displaystyle$m은$$ 객체의 질량입니다.

속도는 점근적으로 종단 ${\displaystyle 속도{}_{}}$ v ${\displaystyle t_{}}$ ${\displaystyle =\frac{}{}}$ (${\displaystyle \frac{\theta }{}}$ ${\displaystyle \frac{-}{}}$ ${\displaystyle \frac{{\theta \mathrm{}}_{}}{}}$0 ) ${\displaystyle \frac{V}{}}$ g$$ ${\display$ \$mathbf${}$v_${t} =$scfrac${\$rho -\rho$ _${0} Vg}{b$에 접근합니다. 주어진$$ {\$displaystyle \mathbf${} $b$에 대해 더 빠르게 낙하합니다.

작은 구형 물체가 점성 유체(따라서 작은 레이놀즈 수)를 천천히 이동하는 특별한 경우, George Gabriel Stokes는 항력 상수에 대한 식을 도출했다.

${\displaystyle b=6\pi \eta r,}$

여기서:

${\displaystyle r}${\$displaystyle \mathbf {}$ r$}$은 입자의 스토크스 반지름이며,$$ {\$displaystyle \mathbf {}$ \$eta}$는 유체 점도이다.

드래그에 대한 결과 표현식은 Stokes의 ^[26]드래그라고 합니다.

${\displaystyle \mathbf {F} _{d}=-6\pi \eta r,\mathbf {v} .}$

예를 들어 반경 $\displaystyle \mathbf {} r}$ =$$ 0.5마이크로미터(θ = 1.0µm)의 작은 구체가 10µm/s의 ${\displaystyle 속도}$ v$\displaystyle \mathbf {} v}($으$$)로 물 속을 이동한다고 가정합니다.SI 단위로 물의 동적 점도로 10Pa·s를 사용하면⁻³ 0.09pN의 드래그력을 얻을 수 있다.이것은 박테리아가 물 속을 헤엄칠 때 경험하는 항력에 관한 것입니다.

구체의 드래그 계수는 레이놀즈 수가 1, ${\displaystyle \mathrm{}}$ ${\displaystyle †}$ ${\displaystyle {10\mathrm{}}^{}}$ 5$({$ 2$\cdot$ 10$^{5})$ 미만인$$ 층류 일반적인 경우에 대해 다음 ^[27]공식을 사용하여 구할 수 있습니다.

${\displaystyle C_{D}=syslogfrac {24}{Re}}+{\frac {4}{\syslogrt {Re}}+0.4~{\text{;}~~~~~Re<2\cdot 10^{5}}$

레이놀즈 수가 1 미만인 경우 Stokes의 법칙이 적용되며 드래그 계수는 ${\displaystyle \frac{24}{}}$ R$e에$합니다$.$

공기역학

공기역학에서 공기역학적 항력은 유체 흐름의 ^[28]방향으로 움직이는 고체에 작용하는 유체 항력입니다.신체의 관점(근방영접근법)에서 항력은 신체 표면에서의 압력 분포에 의한 힘(${\displaystyle D_{}}$pr {$display style D_{$pr$\})$과 피부 마찰에 의한 힘(점도의 결과)에 의한 힘(${\displaystyle D_{}}$f {$display style D_{$f$\})$에 의한 결과이며 플로필드 페르페에서 계산한다.ctive(원거리 접근)는 충격파, 소용돌이 시트 및 점도의 세 가지 자연 현상에 의해 항력이 발생한다.

개요

신체 표면에 작용하는 압력 분포는 신체에 정상적인 힘을 가한다.이러한 힘을 합산할 수 있으며, 하류에 작용하는 힘의 ${\displaystyle {구성요소}_{}}$인 D ${\displaystyle p_{}}$ r$${ $displaystyle D_{$pr$\}\}$는 차체에 작용하는 압력 분포에 의한 항력력을 나타냅니다.이러한 정상력의 특성은 충격파 효과, 소용돌이 시스템 생성 효과 및 웨이크 비스코스 메커니즘을 결합합니다.

유체의 점도는 항력에 큰 영향을 미칩니다.점도가 없을 경우 차량을 전진시키는 압력력에 의해 차량을 지연시키는 압력이 취소됩니다. 이를 압력 회복이라고 하며, 그 결과 드래그 값이 0이 됩니다.즉, 공기 흐름에 대한 신체의 작용은 가역적이며 흐름 에너지를 열로 변환하는 마찰 효과가 없기 때문에 회복됩니다.점성이 있는 흐름의 경우에도 압력 회복이 작용합니다.그러나 점도는 압력 항력을 유발하며, 분리된 흐름 영역이 있는 차량의 경우 압력 회수가 상당히 비효율적인 경우 항력의 주요 구성요소이다.

항공기 표면의 접선력인 마찰 항력(mission drag force)은 경계층 구성과 점도에 따라 크게 달라진다.$순{\displaystyle {}_{}}$ 마찰 드래그인 ${\displaystyle D_{}}$ f$${\$displaystyle D_{f$는 차체 표면에 대해 평가된 점성력의 하류 투영으로 계산됩니다.

마찰 항력과 압력(형태) 항력의 합을 점성 항력이라고 합니다.이 드래그 구성요소는 점도로 인해 발생합니다.열역학적 관점에서 점성 효과는 돌이킬 수 없는 현상을 나타내므로 엔트로피를 생성합니다.계산된 $비스코스{\displaystyle {}_{}}$ ${\displaystyle {드래그}_{}}$ D v$${\$display style$ D_${v}}$는 엔트로피 변화를 이용하여 드래그 포스를 정확하게 예측합니다.

비행기가 양력을 발생시키면 또 다른 항력 성분이 발생한다.$($ D_${i$로 $상징$되는 유도 항력은 리프트 생성에 수반되는 후행 소용돌이 시스템으로 인한 압력 분포의 변경에 기인한다.기류의 운동량 변화를 고려함으로써 리프트와 드래그에 대한 다른 관점을 얻을 수 있다.날개가 기류를 차단하여 흐름을 아래로 이동시킵니다.그 결과 양력인 날개에 위쪽으로 작용하는 등반력이 발생한다.아래로 향하는 기류의 운동량이 변화하면 기류에 전방으로 작용하고 날개에 의해 공기 흐름에 가해지는 힘의 결과인 흐름의 후방 운동량이 감소합니다. 즉, 날개 후방에는 동일하지만 반대되는 힘이 작용하며, 이는 유도 항력입니다.또 다른 항력 요소인 파동 항력$($ 항력$)$은 초음속 및 초음속 비행 속도에서의 충격파에 기인한다.충격파는 경계층의 변화와 신체 표면에서의 압력 분포를 유도합니다.

요약하면 드래그 ^{[29]: 19} 분류에는 세 가지 방법이 있습니다.

1. 압력 드래그 및 마찰 드래그
2. 프로파일 드래그 및 유도 드래그
3. 와류 드래그, 웨이브 드래그 및 웨이크 드래그

역사

공기나 다른 액체를 통과하는 움직이는 물체가 저항에 부딪힌다는 생각은 아리스토텔레스 시대부터 알려져 왔다.머빈 오고먼에 따르면, 이것은 아치볼드 레이스 ^[30]로우에 의해 "드래그"로 명명되었다.1922년 루이 샤를 브레게의 논문은 ^[31]능률화를 통해 항력을 줄이기 위한 노력을 시작했다.브레게는 1920년대와 1930년대에 여러 대의 기록적인 항공기를 설계함으로써 그의 아이디어를 실행에 옮겼다.1920년대 루드비히 프란틀의 경계층 이론은 피부 마찰을 최소화하기 위한 자극을 제공했다.항공기 설계의 합리화의 중요성을 강조하기 위해 이론적인 개념을 제공한 멜빌 존스 경에 의해 합리화에 대한 더 큰 요구가 제기되었습니다.^[32][33][34]1929년에 왕립항공학회에 제출된 그의 논문 '유선형 비행기'는 중요한 것이었다.그는 '깨끗한' 모노플레인 및 접이식 언더캐리지를 컨셉으로 하는 최소한의 항력을 가진 이상적인 항공기를 제안했다.당시 설계자들에게 가장 충격을 준 것은 실제적이고 이상적인 평면에 필요한 마력 대 속도에 대한 그의 그림이었다.특정 항공기의 데이터 포인트를 보고 이를 이상적인 곡선에 대해 수평으로 추정함으로써 동일한 동력에 대한 속도 이득을 볼 수 있다.존스가 프레젠테이션을 끝냈을 때, 청중 중 한 명은 ^[31][32]열역학에서 카르노 사이클과 같은 수준의 결과를 설명했습니다.

리프트에 의한 드래그 및 기생 드래그

리프트에 의한 항력

리프트 유도 항력(유도 항력이라고도 함)은 비행기의 날개나 동체와 같은 3차원 리프팅 물체에 양력을 발생시킨 결과로 발생하는 항력이다.유도 항력은 주로 두 가지 요소로 구성됩니다. 즉, 후행 소용돌이의 생성으로 인한 항력(vortex drag)과 리프트가 0일 때 존재하지 않는 추가적인 점성 항력(양력 유도 점성 항력)의 존재입니다.리프팅 바디의 결과로 나타나는 흐름장의 후행 소용돌이는 리프트 생성의 결과로 약간 다른 방향으로 흐르는 차체 위와 아래에서 공기의 난류 혼합에서 파생됩니다.

다른 매개변수를 동일하게 유지하면 차체에 의해 발생하는 리프트가 증가하므로 리프트에 의한 드래그도 증가합니다.즉, 날개의 공격 각도가 증가하면(최대 정지 각도라고 함) 리프트 계수도 증가하며 리프트에 의한 항력도 증가한다는 것을 의미합니다.스톨 개시시에는 리프트에 의한 드래그와 마찬가지로 리프트가 갑자기 감소하지만, 체후부에서의 난류 미접속 흐름의 형성에 의해 기생충 드래그 성분인 점압 드래그도 증가한다.

기생 항력

기생 항력(프로파일 항력)은 고체 물체가 유체를 통해 이동함에 따라 발생하는 항력입니다.기생 항력은 비스코스 압력 항력(폼 항력)과 표면 거칠기로 인한 항력(피부 마찰 항력)을 포함한 여러 구성 요소로 구성됩니다.또한, 상대적으로 가까운 곳에 여러 물체의 존재는 소위 간섭 항력을 발생시킬 수 있으며, 이것은 때때로 기생 항력의 구성요소로 설명된다.

항공에서 유도 항력은 낮은 속도에서 더 큰 경향이 있는데, 이는 양력을 유지하기 위해 높은 공격 각도가 요구되어 더 많은 항력을 생성하기 때문이다.그러나 속도가 빨라질수록 공격 각도가 감소하고 항력이 감소한다.그러나 유체가 돌출된 물체 주위를 더 빠르게 흐르면서 마찰이나 항력을 증가시키기 때문에 기생 항력이 증가합니다.한층 더 고속(트랜소닉)에서는, 파도의 드래그(drag)가 화상에 들어갑니다.각각의 드래그 형태는 속도에 따라 다른 드래그 형태에 비례하여 변화합니다.따라서 결합된 전체 항력 곡선은 일부 비행 속도에서 최소값을 나타내며, 이 속도로 비행하는 항공기는 최적 효율에 근접할 것이다.조종사는 이 속도를 사용하여 내구성을 최대화(최소 연료 소비)하거나 엔진 고장 시 활공 거리를 최대화합니다.

항공의 전력 곡선

여기에서는 기생 및 유도 항력 대 대기 속도의 상호작용을 특성 곡선으로 나타낼 수 있다.항공학에서 이것은 종종 동력 곡선이라고 불리며, 조종사에게 중요한데, 이는 특정 비행 속도 이하에서는 속도가 감소함에 따라 직감적으로 더 많은 추진력이 요구되기 때문이다.비행 중 "커브 뒤처짐"의 결과는 중요하고 조종사 훈련의 일부로 가르친다.이 곡선의 "U" 모양이 유의한 아음속 기류에서는 파도의 항력이 아직 요인이 되지 않았기 때문에 곡선에 나타나지 않습니다.

천음속 및 초음속 흐름에서의 파장 항력

웨이브 드래그(압축성 드래그라고도 함)는 몸이 압축 가능한 유체 내에서 음속에 가까운 속도로 움직일 때 생기는 드래그입니다.공기역학에서 파도의 항력은 비행 속도 상태에 따라 여러 가지 요소로 구성됩니다.

트랜조닉 비행(Mach number 약 0.8 이상 약 1.4 미만)에서 파장은 초음속(Mach number 1.0 이상) 흐름의 국소 영역이 생성될 때 발생하는 유체 내 충격파의 형성의 결과이다.실제로 초음속 흐름은 음속보다 훨씬 낮게 이동하는 물체에서 발생하는데, 이는 공기 국소 속도가 마하 1.0 이상의 속도로 체중을 가속할 때 증가하기 때문이다.하지만, 이 차 위의 완전한 초음속 흐름은 마하 1.0을 훨씬 넘어서야 발달할 것이다.천음속도로 비행하는 항공기는 통상적인 운항 경로에서 파도의 항력을 발생시키는 경우가 많다.트랜조닉 비행에서 파동 항력은 일반적으로 트랜조닉 압축 항력이라고 합니다.천음속 압축 항력은 비행 속도가 마하 1.0으로 증가함에 따라 상당히 증가하며, 이러한 속도에서 다른 형태의 항력을 지배한다.

초음속 비행(마하 1.0보다 큰 수)에서 파장은 유체에 존재하는 충격파(일반적으로 신체의 앞쪽과 뒤쪽 가장자리에 형성된 비스듬한 충격파)의 결과입니다.높은 초음속 흐름이나 회전각이 충분히 큰 물체에서는 대신 부착되지 않은 충격파 또는 활파가 형성됩니다.또한 초기 충격파 뒤에 있는 천음파 흐름의 국소 영역은 낮은 초음속에서도 발생할 수 있으며, 천음파 흐름에서 발견되는 것과 유사한 다른 리프팅 물체의 표면에 존재하는 추가적이고 작은 충격파가 발생할 수 있다.초음속 흐름에서 파장은 일반적으로 초음속 리프트 의존파 항력과 초음속 체적 의존파 항력의 두 가지 요소로 구분된다.

일정한 길이를 가진 회전체의 최소 파동 항력을 위한 닫힌 형태 해는 Sears와 Hack에 의해 발견되었으며 Sears-Hack 분포로 알려져 있다.마찬가지로 고정 부피의 경우 최소 파장 항력에 대한 모양은 Von Karman Ogive입니다.

Busemann 양면 이론 개념은 설계 속도로 작동할 때 파동 항력의 영향을 받지 않지만 이 조건에서 양력을 발생시킬 수는 없다.

달랑베르의 역설

1752년 달랑베르는 수학적인 해법에 순응할 수 있는 18세기 최첨단 비시상 흐름 이론인 잠재적 흐름이 항력 제로라는 예측을 낳았다는 것을 증명했다.이것은 실험적인 증거와 모순되었고 달랑베르의 역설로 알려지게 되었다.19세기 나비에–점성 흐름의 설명을 위한 스토크스 방정식은 생베낭, 나비에 및 스토크스에 의해 개발되었습니다.Stokes는 매우 낮은 레이놀즈 수에서 구 주위의 항력을 유도했고, 그 결과를 Stokes의 [35]법칙이라고 부릅니다.

레이놀즈 수가 많을수록 네이비어는–스토크스 방정식은 달랑베르에 의해 고려된 잠재적 흐름 해법이 해인 비점상 오일러 방정식에 접근합니다.그러나 레이놀즈 수치가 높은 모든 실험에서는 항력이 있는 것으로 나타났습니다.오일러 방정식에 잠재적 흐름 해법을 제외한 비시각적 정상 흐름 해법을 구성하려는 시도는 현실적인 결과를 ^[35]낳지 못했다.

1904년 프랜드틀이 이론과 실험 모두를 바탕으로 도입한 경계층의 개념은 높은 레이놀즈 수에서 항력의 원인을 설명했습니다.경계층은 물체의 경계에 가까운 유체의 얇은 층으로 점도가 매우 작을 때(또는 동등하게 레이놀즈 수치가 매우 ^[35]클 때)에도 점성 효과가 중요합니다.

「 」를 참조해 주세요.

레퍼런스

• Frank G Moore 등 '새로운 풍동 데이터에 기초한 비산물 구성의 베이스 드래그 예측을 위한 개선된 경험적 모델'NASA 랭글리 센터
• M A Suliman et al. '다른 비행 경로에서 발사체에 대한 기본 항력 감소 계산 조사'ASAT-13, 2009년 5월 26일~28일 제13회 항공우주과학 및 항공기술 국제회의 진행
• 'Base Drag and Thick Trailing Edge', Sahard F.Hoerner, Air Material Command, in: 항공과학 저널, 1950년 10월, 페이지 622–628

참고 문헌

• French, A. P. (1970). Newtonian Mechanics (The M.I.T. Introductory Physics Series) (1st ed.). W. W. Norton & Company Inc., New York. ISBN 978-0-393-09958-4.
• G. Falkovich (2011). Fluid Mechanics (A short course for physicists). Cambridge University Press. ISBN 978-1-107-00575-4.
• Serway, Raymond A.; Jewett, John W. (2004). Physics for Scientists and Engineers (6th ed.). Brooks/Cole. ISBN 978-0-534-40842-8.
• Tipler, Paul (2004). Physics for Scientists and Engineers: Mechanics, Oscillations and Waves, Thermodynamics (5th ed.). W. H. Freeman. ISBN 978-0-7167-0809-4.
• Huntley, H. E. (1967). Dimensional Analysis. Dover. LOC 67-17978.
• Batchelor, George (2000). An introduction to fluid dynamics. Cambridge Mathematical Library (2nd ed.). Cambridge University Press. ISBN 978-0-521-66396-0. MR 1744638.
• L. J. Clancy(1975), 공기역학, Pitman Publishing Limited, 런던.ISBN 978-0-273-01120-0
• Anderson, John D. Jr. (2000);항공편 소개, 제4판, 맥그로 힐 고등교육, 매사추세츠 주 보스턴, ISBN 978-0078027673.

외부 링크

• 공기저항 교육자료
• 공기역학적 드래그와 그것이 차량의 가속 및 최고 속도에 미치는 영향.
• 드래그 계수, 프론트 면적 및 속도에 기반한 차량 공기역학 드래그 계산기.
• 스미스소니언 국립항공우주박물관 '물건이 나는 법' 웹사이트
• 골프공과 자동차에 딤플이 미치는 영향