Drag (fisika)

Posted by Yono Purnama Tuesday, October 25, 2011


Dari Wikipedia, ensiklopedia bebas
Bentuk dan aliran
Bentuk
menyeret
Kulit
gesekan
0%
100%
~ 10%
~ 90%
~ 90%
~ 10%
100%
0%
Dalam dinamika fluida , tarik (kadang-kadang disebut hambatan udara atau resistensi cairan) mengacu pada kekuatan-kekuatan yang bertindak pada yang solid objek dalam arah relatif fluida kecepatan aliran . [1] [2] [3] [4] Tidak seperti kekuatan resistif lain seperti sebagai gesekan kering, yang hampir independen dari kecepatan, kekuatan tarik tergantung pada kecepatan. [5]
Tarik pasukan selalu menurunkan kecepatan fluida relatif terhadap benda padat dalam fluida jalan .
Contoh tarik
Contoh tarik meliputi komponen bersih aerodinamik atau hidrodinamik memaksa sebaliknya bertindak dengan arah gerakan dari benda padat relatif terhadap bumi sebagai untuk mobil, pesawat [3] dan lambung perahu; atau bertindak dalam arah geografis yang sama gerak sebagai padat, seperti untuk layar pada perahu berlayar angin bawah, atau di arah menengah pada sebuah layar tergantung pada titik berlayar. [6] [7] [8] [9] Dalam kasus drag viskos dari fluida dalam pipa , tarik berlaku pada pipa bergerak menurun kecepatan fluida relatif terhadap pipa. [10] [11]
Jenis tarik
Jenis tarik umumnya dibagi menjadi kategori berikut:
Drag frase parasit ini terutama digunakan dalam aerodinamis, karena untuk mengangkat tarik sayap yang di kecil umum dibandingkan untuk mengangkat. Untuk aliran di sekitar tubuh tebing, drag paling sering mendominasi, dan kemudian kualifikasi yang "parasit" tidak ada artinya. Formulir tarik, gesekan kulit dan tarik gangguan pada tubuh tebing tidak diciptakan sebagai elemen tarik parasit, tetapi langsung sebagai elemen tarik.
Selanjutnya, angkat-induced drag hanya relevan ketika sayap atau mengangkat tubuh yang hadir, dan karena itu biasanya dibahas baik dalam perspektif penerbangan drag, atau dalam desain perencanaan baik semi-atau lambung perencanaan . tarik Gelombang terjadi ketika solid objek bergerak melalui fluida pada atau dekat kecepatan suara dalam cairan-atau dalam hal ada permukaan bebas yang bergerak cairan dengan gelombang permukaan memancar dari obyek, misalnya dari sebuah kapal.
Untuk kecepatan-tinggi atau lebih tepatnya, pada tinggi bilangan Reynolds -drag keseluruhan obyek ditandai oleh nomor berdimensi yang disebut koefisien hambatan , dan dihitung menggunakan persamaan tarik . Dengan asumsi koefisien drag lebih-atau-kurang konstan, drag akan bervariasi sebagai kwadrat kecepatan . Dengan demikian, kekuatan yang dihasilkan dibutuhkan untuk mengatasi hambatan ini akan bervariasi sebagai kubus dari kecepatan. Persamaan standar untuk drag satu setengah koefisien drag dikalikan dengan cairan kepadatan massa , yang luas penampang dari item tertentu, dan kuadrat kecepatan.
Hambatan angin adalah istilah awam yang digunakan untuk menggambarkan drag. Penggunaannya sering kabur, dan biasanya digunakan dalam pengertian relatif (misalnya, bulu tangkis shuttlecock memiliki hambatan angin lebih dari labu bola).
Drag pada kecepatan tinggi
Artikel utama: Persamaan Tarik
http://bits.wikimedia.org/skins-1.18/common/images/magnify-clip.png
Penjelasan tarik oleh NASA .
Para persamaan tarik menghitung gaya yang dialami oleh suatu benda yang bergerak melalui fluida dengan kecepatan yang relatif besar (yaitu tinggi bilangan Reynolds , R e> ~ 1000), juga disebut tarik kuadrat. Persamaan ini disebabkan Lord Rayleigh , yang awalnya digunakan di tempat L 2 A (L yang panjang beberapa). Gaya pada benda yang bergerak karena fluida adalah:
lihat derivasi
mana
adalah kekuatan drag,
adalah densitas fluida, [12]
adalah kecepatan objek relatif terhadap cairan,
adalah koefisien hambatan (yang berdimensi parameter , misalnya 0,25-0,45 untuk mobil)
adalah referensi daerah ,
Daerah referensi A sering didefinisikan sebagai area dari proyeksi ortografi objek-pada bidang tegak lurus terhadap arah gerak-misalnya untuk benda dengan bentuk sederhana, seperti bola, ini adalah cross sectional area. Kadang-kadang daerah referensi yang berbeda diberikan untuk objek yang sama dalam hal koefisien drag yang sesuai untuk masing-masing daerah yang berbeda harus diberikan.
Dalam kasus sayap, perbandingan di drag ke gaya angkat paling mudah ketika daerah acuan adalah sama, sejak saat itu rasio drag untuk gaya angkat hanyalah rasio drag untuk mengangkat koefisien . [13] Oleh karena itu, referensi bagi sayap sering adalah planform (atau sayap) daerah daripada daerah frontal. [14]
Untuk objek dengan permukaan halus, dan non-tetap pemisahan poin -seperti bola atau silinder melingkar-koefisien hambatan dapat bervariasi dengan bilangan Reynolds R e, bahkan sampai nilai yang sangat tinggi (R e dari urutan 10 7). [ 15] [16] Untuk objek dengan baik didefinisikan poin pemisahan tetap, seperti disk melingkar dengan pesawat yang normal terhadap arah aliran, koefisien hambatan adalah konstan untuk R e> 3.500. [16] Selanjutnya koefisien hambatan C d adalah , secara umum, fungsi dari orientasi aliran sehubungan dengan objek (terlepas dari benda-benda simetris seperti bola).
Daya
Para daya yang diperlukan untuk mengatasi drag aerodinamis diberikan oleh:
Perhatikan bahwa daya yang dibutuhkan untuk mendorong sebuah objek melalui sebuah fluida meningkat sebagai kubus dari kecepatan. Sebuah mobil jelajah di jalan raya pada 50 mph (80 km / jam) mungkin hanya membutuhkan 10 tenaga kuda (7,5 kW) untuk mengatasi hambatan udara, tapi itu mobil yang sama pada 100 mph (160 km / jam) membutuhkan 80 hp (60 kW). Dengan dua kali lipat dari kecepatan tarik (gaya) quadruples per formula. Mengerahkan empat kali memaksa lebih dari jarak yang tetap menghasilkan empat kali lebih banyak bekerja . Pada kecepatan dua kali lipat pekerjaan (yang mengakibatkan perpindahan lebih dari jarak tetap) dilakukan dua kali lebih cepat. Karena daya adalah tingkat melakukan pekerjaan, empat kali pekerjaan yang dilakukan dalam setengah waktu membutuhkan delapan kali daya.
Velocity dari benda jatuh
Artikel utama: kecepatan Terminal
Kecepatan sebagai fungsi waktu untuk sebuah objek jatuh melalui media non-padat, dan dilepaskan pada kecepatan nol relatif-v = 0 pada waktu t = 0, kira-kira diberikan oleh fungsi melibatkan tangen hiperbolik (tanh):
Tangen hiperbolik memiliki batas nilai satu, untuk t waktu yang besar. Dengan kata lain, kecepatan asimtotik mendekati nilai maksimum disebut kecepatan terminal v t:
Untuk objek berbentuk kentang d diameter rata-rata dan densitas ρ obj, kecepatan terminal adalah tentang
Untuk obyek air-seperti kepadatan (hujan, hujan es, burung hidup benda-hewan, serangga, dll) jatuh di udara dekat permukaan bumi di permukaan laut, kecepatan terminal secara kasar sama dengan
dengan d dalam meter dan t dalam v m / s. Sebagai contoh, untuk tubuh manusia ( \ Mathbf {} d~ 0,6 m) \ Mathbf {} v_t~ 70 m / s, untuk hewan kecil seperti kucing ( \ Mathbf {} d~ 0,2 m) \ Mathbf {} v_t~ 40 m / s, untuk seekor burung kecil ( \ Mathbf {} d~ 0,05 m) \ Mathbf {} v_t~ 20 m / s, untuk serangga ( \ Mathbf {} d~ 0,01 m) \ Mathbf {} v_t~ 9 m / s, dan sebagainya. Terminal kecepatan untuk objek yang sangat kecil (serbuk sari, dll) di bilangan Reynolds yang rendah ditentukan oleh hukum Stokes.
Kecepatan terminal lebih tinggi bagi makhluk-makhluk yang lebih besar, dan dengan demikian berpotensi lebih mematikan. Makhluk seperti mouse jatuh pada kecepatan terminal adalah jauh lebih mungkin untuk bertahan hidup dampak dengan tanah dari manusia jatuh dengan kecepatan terminal. Sebuah hewan kecil seperti kriket berdampak pada kecepatan terminal mungkin akan terluka. Hal ini, dikombinasikan dengan rasio relatif ekstremitas luas penampang vs massa tubuh (sering disebut sebagai hukum Square-kubus ), menjelaskan mengapa hewan kecil bisa jatuh dari ketinggian yang besar dan tidak dirugikan. [17]
Sangat rendah Reynolds nomor-Stokes 'tarik
http://bits.wikimedia.org/skins-1.18/common/images/magnify-clip.png
Lintasan dari tiga benda dilemparkan pada sudut yang sama (70 °). Obyek hitam tidak mengalami bentuk drag dan bergerak sepanjang sebuah parabola. Objek biru pengalaman tarik Stokes ' , dan obyek hijau tarik Newton .
Artikel utama: hukum Stokes '
Persamaan untuk resistensi kental atau tarik linear sesuai untuk benda atau partikel bergerak melalui fluida pada kecepatan yang relatif lambat di mana tidak ada turbulensi (yaitu rendah bilangan Reynolds , R e <1). [18] Perhatikan bahwa aliran laminar murni hanya ada sampai Re = 0,1 di bawah definisi ini. Dalam hal ini, kekuatan tarik adalah sekitar proporsional terhadap kecepatan, tetapi berlawanan arah. Persamaan untuk resistensi kental adalah: [19]
di mana:
adalah konstanta yang tergantung pada sifat cairan dan dimensi obyek, dan
adalah kecepatan objek
Ketika benda jatuh dari yang lain, kecepatannya akan
yang asimtotik mendekati kecepatan terminal . Untuk yang diberikan , Benda-benda berat jatuh lebih cepat.
Untuk kasus khusus dari benda bulat kecil bergerak perlahan melalui kental fluida (dan dengan demikian pada bilangan Reynold kecil), George Gabriel Stokes berasal ekspresi untuk tarik konstan,
di mana:
\ Mathbf {r}adalah jari-jari Stokes partikel, dan \ Mathbf {} \ etaadalah viskositas fluida.
Sebagai contoh, pertimbangkan sebuah bola kecil dengan jari-jari \ Mathbf {r}= 0,5 mikrometer (diameter = 1,0 pM) bergerak melalui air pada kecepatan yang \ Mathbf {v}dari 10 pM / s. Menggunakan 10 -3 Pa ° S sebagai viskositas dinamis air dalam satuan SI, kita menemukan kekuatan drag 0,09 PN. Ini adalah tentang gaya tarik bahwa bakteri mengalami seperti berenang melalui air.
Drag dalam aerodinamika
Artikel utama: tarik Aerodinamika
Angkat induced drag
Artikel utama: angkat-induced drag
http://bits.wikimedia.org/skins-1.18/common/images/magnify-clip.png
Induced drag vs angkat
Angkat-induced drag (juga disebut induced drag) adalah drag yang terjadi sebagai hasil penciptaan angkat pada tiga-dimensi tubuh mengangkat , seperti sayap atau badan pesawat pesawat. Induced drag terdiri dari dua komponen utama, termasuk tarik karena penciptaan vortisitas (drag pusaran) dan adanya tarik kental tambahan (angkat-induced drag kental). Vortisitas di medan aliran-, hadir di tengah mengangkat tubuh, berasal dari pencampuran turbulen udara dari berbagai tekanan pada permukaan atas dan bawah tubuh, yang merupakan kondisi yang diperlukan untuk penciptaan angkat .
Dengan parameter lain tetap sama, seperti angkat yang dihasilkan oleh tubuh meningkat, demikian juga tarik angkat-diinduksi. Untuk pesawat udara dalam penerbangan, ini berarti bahwa sebagai sudut serangan , dan oleh karena itu koefisien angkat , meningkat ke titik kritis, sehingga tidak drag angkat-diinduksi. Pada awal kios , angkat tiba-tiba menurun, seperti angkat-induced drag, tetapi tekanan tarik kental, sebuah komponen dari parasite drag, meningkat karena pembentukan aliran turbulen tidak terikat pada permukaan tubuh.
tarik parasit
Artikel utama: tarik parasit
Tarik parasit (juga disebut parasit tarik) adalah hambatan yang disebabkan oleh benda padat bergerak melalui cairan. Tarik parasit terdiri dari beberapa komponen termasuk tarik tekanan kental (form drag), dan tarik karena kekasaran permukaan (kulit seret gesekan). Selain itu, kehadiran beberapa badan dalam jarak relatif dapat dikenakan interference drag disebut, yang kadang-kadang digambarkan sebagai komponen drag parasit.
Dalam penerbangan, induced drag cenderung lebih besar pada kecepatan rendah karena tinggi angle of attack yang dibutuhkan untuk mempertahankan angkat, menciptakan lebih tarik. Namun, seperti meningkatkan kecepatan induced drag menjadi lebih sedikit, tetapi menambah drag parasit karena cairan mengalir lebih cepat sekitar menonjol gesekan benda meningkat atau tarik. Pada kecepatan lebih tinggi dalam transonik , tarik gelombang memasuki gambar. Masing-masing bentuk tarik perubahan dalam proporsi dengan yang lain berdasarkan kecepatan. Kurva tarik gabungan keseluruhan sehingga menunjukkan kecepatan udara minimum pada beberapa - pesawat terbang pada kecepatan ini akan pada atau mendekati efisiensi yang optimal. Pilot akan menggunakan kecepatan ini untuk memaksimalkan ketahanan (konsumsi bahan bakar minimum), atau memaksimalkan jangkauan meluncur dalam hal kegagalan mesin.
kurva Daya dalam penerbangan
http://bits.wikimedia.org/skins-1.18/common/images/magnify-clip.png
Kurva daya: bentuk dan induced drag vs kecepatan pesawat
Interaksi drag parasit dan diinduksi vs kecepatan udara bisa diplot sebagai kurva karakteristik, diilustrasikan di sini. Dalam penerbangan, ini sering disebut sebagai kurva kekuasaan, dan adalah penting untuk pilot karena menunjukkan bahwa, di bawah kecepatan udara tertentu, mempertahankan kecepatan udara counterintuitively membutuhkan dorongan lebih sebagai penurunan kecepatan, daripada kurang. Konsekuensi menjadi "di belakang kurva" dalam penerbangan adalah penting dan diajarkan sebagai bagian dari pelatihan pilot. Pada kecepatan yang subsonik mana "U" bentuk kurva ini adalah signifikan, tarik gelombang belum menjadi faktor, dan sehingga tidak ditampilkan dalam kurva.
Gelombang tarik dalam aliran transonik dan supersonik
http://bits.wikimedia.org/skins-1.18/common/images/magnify-clip.png
Kualitatif variasi dalam faktor Cd dengan bilangan Mach untuk pesawat
Artikel utama: tarik gelombang
Gelombang tarik (drag kompresibilitas juga disebut) adalah drag yang diciptakan oleh adanya sebuah benda yang bergerak dengan kecepatan tinggi melalui fluida kompresibel. Dalam aerodinamis , tarik Gelombang terdiri dari beberapa komponen tergantung pada rezim kecepatan penerbangan.
Dalam transonik penerbangan (Mach angka lebih besar dari sekitar 0,8 dan kurang dari sekitar 1,4), tarik gelombang adalah hasil dari pembentukan gelombang listrik pada tubuh, terbentuk ketika daerah (bilangan Mach lebih besar dari 1,0) lokal aliran supersonik diciptakan. Dalam prakteknya, aliran supersonik terjadi pada tubuh bepergian jauh di bawah kecepatan suara, sebagai kecepatan lokal udara pada tubuh meningkat ketika berakselerasi tubuh, dalam hal ini kasus di atas Mach 1,0. Namun, aliran supersonik penuh atas kendaraan tidak akan berkembang sampai 1,0 Mach juga masa lalu. Pesawat terbang dengan kecepatan transonik sering dikenakan tarik gelombang melalui program normal operasi. Dalam penerbangan transonik, gelombang drag sering disebut sebagai tarik tarik kompresibilitas transonik kompresibilitas transonik meningkat secara signifikan sebagai kecepatan meningkat penerbangan menuju Mach 1,0, mendominasi bentuk-bentuk lain dari tarik pada kecepatan ini..
Dalam penerbangan supersonik (Mach angka lebih besar dari 1,0), tarik gelombang adalah hasil dari gelombang listrik hadir pada tubuh, gelombang listrik yang terbentuk biasanya miring di tepi terkemuka dan trailing tubuh. Dalam arus yang sangat supersonik, atau dalam tubuh dengan mengubah sudut yang cukup besar, gelombang listrik tidak terikat, atau gelombang akan membentuk busur gantinya. Selain itu, wilayah lokal aliran transonik belakang shockwave awal dapat terjadi pada kecepatan supersonik yang lebih rendah, dan dapat mengarah pada pengembangan tambahan, gelombang listrik kecil hadir pada permukaan tubuh mengangkat lainnya, mirip dengan yang ditemukan dalam aliran transonik. Dalam rezim aliran supersonik, tarik gelombang umumnya dipisahkan menjadi dua komponen, supersonik angkat-tergantung tarik gelombang dan supersonik volume tergantung tarik gelombang.
Solusi bentuk tertutup untuk di drag gelombang minimum tubuh revolusi dengan panjang tetap ditemukan oleh Sears dan Haack, dan dikenal sebagai Distribusi Sears-Haack. Demikian pula, untuk volume tetap, bentuk untuk drag gelombang minimum adalah Von Karman ogive.
Biplane Busemann yang tidak, pada prinsipnya, tunduk untuk drag gelombang sama sekali ketika dioperasikan pada kecepatan desain, namun tidak mampu membangkitkan daya angkat.
d'Alembert 's paradoks
Artikel utama: d'Alembert 's paradoks
Pada 1752 d'Alembert membuktikan bahwa aliran potensial , abad ke-18 negara-of-the-art aliran inviscid teori setuju untuk solusi matematika, mengakibatkan prediksi nol tarik. Ini bertentangan dengan bukti eksperimental, dan menjadi dikenal sebagai d'Alembert 's paradoks. Pada abad ke-19 persamaan Navier-Stokes untuk deskripsi kental aliran yang dikembangkan oleh Saint-Venant , Navier dan Stokes . Stokes berasal drag sekitar bola yang sangat rendah pada bilangan Reynolds , hasil dari yang disebut hukum Stokes . [20]
Dalam batas tinggi angka Reynolds Navier-Stokes persamaan pendekatan inviscid persamaan Euler , yang potensi-aliran solusi dipertimbangkan oleh d'Alembert adalah solusi. Namun, pada bilangan Reynolds yang tinggi semua percobaan menunjukkan ada tarik. Upaya untuk membangun inviscid aliran solusi untuk persamaan Euler, selain solusi aliran potensial, tidak menghasilkan hasil yang realistis. [20]
Gagasan batas lapisan -diperkenalkan oleh Prandtl pada tahun 1904, didirikan pada kedua teori dan eksperimen-menjelaskan penyebab tarik pada bilangan Reynolds yang tinggi. Lapisan batas adalah lapisan tipis cairan dekat dengan batas obyek, di mana efek viskos tetap penting ketika viskositas menjadi sangat kecil (atau ekuivalen bilangan Reynolds menjadi sangat besar). [20]

edit post
0 comments

Post a Comment