प्रवाह प्रतिरोध एक व्यापक समस्या है। उच्च गति पर कार की ईंधन खपत मुख्य रूप से जमीनी घर्षण प्रतिरोध के बजाय वायु प्रतिरोध से होती है। हवा में स्मॉग के "निलंबित" होने का कारण प्रवाह प्रतिरोध भी है। ये सभी वायु प्रतिरोध के महत्व को दर्शाते हैं।
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दबाव अंतर प्रतिरोध और घर्षण प्रतिरोध
बल की दृष्टि से, वस्तु का प्रतिरोध उसकी सतह पर द्रव की सीधी क्रिया है। वस्तु की सतह पर जो लंबवत होता है वह द्रव का दबाव होता है, और इसके द्वारा उत्पन्न प्रतिरोध को विभेदक दबाव प्रतिरोध कहा जाता है; वस्तु की सतह के समानांतर जो होता है वह द्रव का चिपचिपा अपरूपण बल होता है, और इसके द्वारा उत्पन्न प्रतिरोध को घर्षण प्रतिरोध कहा जाता है। इन दोनों शक्तियों के अतिरिक्त कोई अन्य शक्ति नहीं है। इसलिए, किसी वस्तु का कुल प्रतिरोध दबाव अंतर प्रतिरोध और घर्षण प्रतिरोध का परिणामी बल है। दबाव अंतर प्रतिरोध वस्तु के आकार से निकटता से संबंधित है, और घर्षण प्रतिरोध मुख्य रूप से वस्तु के सतह क्षेत्र से संबंधित है।
कुछ स्थानों का कहना है कि दबाव अंतर प्रतिरोध और घर्षण प्रतिरोध के अलावा, प्रेरित प्रतिरोध, शॉक वेव प्रतिरोध आदि भी होते हैं, जो एक गलतफहमी है। वास्तव में, प्रेरित प्रतिरोध और शॉक वेव प्रतिरोध दोनों को दबाव अंतर प्रतिरोध और घर्षण प्रतिरोध (मुख्य रूप से दबाव अंतर प्रतिरोध) के लिए जिम्मेदार ठहराया जा सकता है।
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आकार प्रतिरोध पश्च प्रतिरोध
यह प्राचीन काल से ज्ञात है कि तरल पदार्थ में गति करने वाली वस्तुएं प्रतिरोध का अनुभव करेंगी, और प्रतिरोध का वस्तु के आकार से गहरा संबंध है। लेकिन द्रव यांत्रिकी का मूल सिद्धांत विपरीत निष्कर्ष पर पहुंचा। यूलर और बर्नौली के द्रव गति के नियमों के आधार पर, यदि द्रव की श्यानता को नजरअंदाज कर दिया जाए, तो द्रव अपने अंदर घूम रही किसी भी आकार की वस्तुओं के लिए प्रतिरोध उत्पन्न नहीं करेगा।
ऐसा लगता है कि प्रतिरोध पूरी तरह से चिपचिपाहट के कारण होता है, लेकिन हवा की चिपचिपाहट बहुत छोटी होती है, और इसके द्वारा उत्पन्न घर्षण प्रतिरोध वास्तव में मापे गए वायुगतिकीय प्रतिरोध से बहुत छोटा होता है। इस विरोधाभास को इतिहास में "डी'अलेम्बर्ट का विरोधाभास" के नाम से जाना जाता है क्योंकि इसे फ्रांसीसी गणितज्ञ डी'अलेम्बर्ट द्वारा प्रस्तावित किया गया था।
जब तक प्रांटल ने सीमा परत सिद्धांत को सामने नहीं रखा, तब तक लोगों को वास्तव में प्रवाह प्रतिरोध के सार का एहसास नहीं हुआ। दबाव अंतर प्रतिरोध वायुगतिकीय प्रतिरोध का मुख्य घटक है, जबकि सामान्य वस्तुओं के लिए, दबाव अंतर प्रतिरोध मुख्य रूप से सीमा परत पृथक्करण के कारण होता है।
शुरुआती लोग (शायद अब बहुत से लोग ऐसा सोचते हैं) कुछ प्रकार के "सामान्य ज्ञान" के आधार पर, यह मानते थे कि वस्तु के सामने वाले हिस्से का आकार प्रतिरोध के आकार को निर्धारित करता है, और यदि सामने वाला हिस्सा तेज हो तो प्रतिरोध छोटा होगा . सीमा परत सिद्धांत के साथ, वस्तु के पिछले हिस्से के आकार की खोज करना अधिक महत्वपूर्ण है। क्योंकि वस्तु के पिछले हिस्से का आकार यह निर्धारित करता है कि सीमा परत कहां अलग होती है और इस प्रकार वस्तु की सतह पर दबाव का वितरण होता है।
आम मछलियाँ और पक्षी अपेक्षाकृत पूर्ण सुव्यवस्थित शरीर वाले होते हैं, जिनके सिर गोल और नुकीली पूँछ होती हैं।
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आकार प्रतिरोध सामने प्रतिरोध
यद्यपि वस्तु के पिछले हिस्से का आकार खींचने की मात्रा के लिए निर्णायक होता है, सामने का आकार भी महत्वपूर्ण होता है। उदाहरण के लिए, यदि वस्तु का अगला भाग चौकोर है, तो तेज कोनों पर तरल पदार्थ जल्दी अलग हो जाएगा, और पीछे का सावधानीपूर्वक डिज़ाइन किया गया आकार अपना अर्थ खो देगा। वर्तमान में राजमार्ग पर चलने वाले ट्रकों के लिए, जो आकार अनुकूलन हासिल किया गया है वह मुख्य रूप से सामने के हिस्से पर केंद्रित है, और पीछे का हिस्सा कंटेनर के आकार द्वारा सीमित है, इसलिए कम काम किया गया है। ट्रांसोनिक गति से चलने वाली वस्तुओं के लिए, शॉक वेव अतिरिक्त प्रतिरोध उत्पन्न करेगी, इसलिए सामने वाले हिस्से को बहुत नुकीले आकार में डिज़ाइन किया गया है, ताकि प्रतिरोध को कम करने के लिए शॉक वेव का शंकु कोण छोटा हो।
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शॉक वेव प्रतिरोध
जब आने वाली प्रवाह गति ध्वनि की गति के करीब पहुंचती है या उससे अधिक हो जाती है, तो शॉक तरंगें उत्पन्न होंगी, जो अतिरिक्त शॉक वेव प्रतिरोध लाएगी। संक्षेप में, शॉक वेव प्रतिरोध भी एक प्रकार का दबाव अंतर प्रतिरोध है, जो शॉक तरंगों के अस्तित्व के कारण वस्तु के पिछले हिस्से में अपर्याप्त दबाव वसूली के कारण होता है। चिपचिपे नुकसान की उपेक्षा करते हुए, जब कोई शॉक वेव नहीं होती है, तो वस्तु के दूसरे भाग में वायु प्रवाह की मंदी दबाव वृद्धि Δp1 से मेल खाती है; जब कोई शॉक वेव होती है, तो शॉक वेव से गुजरते समय वायुप्रवाह आंशिक रूप से यांत्रिक ऊर्जा का कुछ हिस्सा खो देता है, और उसी मंदी के अनुरूप दबाव वृद्धि Δp2 Δp1 से कम होगी। इसलिए, जब कोई शॉक वेव होती है, तो वस्तु के पिछले आधे हिस्से में दबाव थोड़ा कम होता है, जो शॉक वेव प्रतिरोध का स्रोत है। वस्तु के सामने के किनारे को तेज बनाने से शॉक कोन कोण को कम किया जा सकता है, जिससे शॉक वेव से होने वाले नुकसान को कम किया जा सकता है, और शॉक वेव प्रतिरोध को भी कम किया जा सकता है। जब जहाज पानी की सतह पर यात्रा करता है, तो यह सतही तरंगें उत्पन्न करेगा और इसमें तरंग प्रतिरोध भी होगा, इसलिए इसे नुकीला बनाया जाना चाहिए, जबकि पानी के नीचे यात्रा करने वाली पनडुब्बी गोलाकार होती है।
शॉक वेव प्रतिरोध को समझाने के लिए ऊर्जा हानि का उपयोग करना पर्याप्त प्रत्यक्ष नहीं है। आख़िरकार, किसी वस्तु की सतह पर दबाव और चिपचिपा बल ऐसे कारक हैं जो सीधे प्रतिरोध के परिमाण को निर्धारित करते हैं। इसके बाद, शॉक वेव प्रतिरोध को वस्तु की सतह के दबाव में परिवर्तन से समझाया जाता है।
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ड्रैग पर आकार और सतह की गुणवत्ता का प्रभाव
प्रतिरोध को कम करना द्रव यांत्रिकी का एक शाश्वत विषय है। स्ट्रीमलाइन का उपयोग अंतर दबाव प्रतिरोध को प्रभावी ढंग से कम कर सकता है, मुख्य रूप से क्योंकि एक अच्छी तरह से डिजाइन किए गए सुव्यवस्थित शरीर की सतह पर कोई सीमा परत पृथक्करण नहीं होता है, जिससे अंतर दबाव प्रतिरोध कम हो जाता है।
आकार के अलावा, किसी वस्तु की सतह का खुरदरापन भी खींचने को प्रभावित करता है। आम तौर पर, सतह जितनी चिकनी होती है, घर्षण प्रतिरोध उतना ही कम होता है, लेकिन कभी-कभी वस्तु की सतह जानबूझकर खुरदरी होती है, ताकि सीमा परत अलगाव को रोकने के लिए अशांत हो जाए, जिससे दबाव अंतर प्रतिरोध काफी कम हो जाता है।
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संक्षेप
किसी वस्तु के वायुगतिकीय प्रतिरोध का विश्लेषण करते समय द्रव यांत्रिकी की आदत इसे बल के रूप के अनुसार विभाजित करना है। वस्तु की सतह पर लंबवत रूप से कार्य करने वाले दबाव के कारण होने वाले प्रतिरोध को विभेदक दबाव प्रतिरोध कहा जाता है, जबकि वस्तु की सतह के समानांतर घर्षण बल के कारण होने वाले प्रतिरोध को घर्षण प्रतिरोध कहा जाता है। चूँकि किसी वस्तु की सतह पर इन दोनों बलों के अलावा कोई बल नहीं होता है, इसलिए किसी भी प्रकार का प्रतिरोध या तो दबाव अंतर प्रतिरोध या घर्षण प्रतिरोध, या दोनों होता है।
प्रवाह पृथक्करण के कारण होने वाला दबाव अंतर प्रतिरोध और शॉक वेव के कारण होने वाला दबाव अंतर प्रतिरोध वस्तुओं के वायुगतिकीय प्रतिरोध को प्रभावित करने वाले सबसे बड़े कारक हैं।
सबसोनिक कम-प्रतिरोध वाली वस्तुओं में गोल सिर और नुकीली पूंछ होती हैं, जबकि सुपरसोनिक कम-प्रतिरोध वाली वस्तुओं में नुकीले सिरे होते हैं।
