Makine mühendisleri otomobilleri, uçakları, roketleri ve diğer araçları tasarlarken, genellikle havada veya suda yüksek hızda harekete direnecek sürükleme kuvvetini F D bilmeleri gerekir . Bu bölümde, sürükleme kuvveti ve C D ile gösterilen sürükleme katsayısı olarak bilinen ilgili bir miktarı tartışacağız . Bu parametre, bir nesnenin ne kadar aerodinamik hale getirildiğini ölçüyor ve direnç miktarını hesaplamak için kullanılıyor. Oysa kaldırma kuvveti sabit akışkanlarda bile kuvvetler gelişir, sürükleme kuvveti ve kaldırma kuvveti, bir akışkan ile katı bir nesne arasındaki göreceli hareketten kaynaklanır. Hareket eden akışkanların genel davranışı ve bunların içinden geçen nesnelerin hareketleri, akışkanlar dinamiği olarak bilinen makine mühendisliği alanını tanımlar .
Sürükleme Kuvveti Denklemi
Laminer veya türbülanslı akışı kapsayabilen Reynolds sayısının değerleri için, sürükleme kuvvetinin büyüklüğü denklem ile belirlenir.
Burada rho – (ρ) sıvının yoğunluğudur ve akan sıvıya bakan nesnenin A alanına ön alan denir . Genel olarak, sürükleme kuvvetinin büyüklüğü, sıvıya çarpan alanla birlikte artar. Sürtünme kuvveti sıvının yoğunluğuyla da artar (örneğin, havaya karşı su) ve hızın karesiyle birlikte büyür.
Diğer tüm faktörler aynı kalırsa, diğerine göre iki kat daha hızlı giden bir otomobile uygulanan sürükleme kuvveti dört kat daha fazla olacaktır. Sürtünme katsayısı, sürükleme kuvvetinin bir nesnenin şekline karmaşık bağımlılığını ve akan sıvıya göre oryantasyonunu temsil eden tek bir sayısal değerdir . Yukarıda belirtilen denklem, sürükleme katsayısının sayısal değerinin bilinmesi koşuluyla, akışın laminer veya türbülanslı olmasına bakılmaksızın herhangi bir nesne için geçerlidir. Bununla birlikte, C D için matematiksel denklemler yalnızca idealleştirilmiş geometriler (küreler, düz plakalar ve silindirler gibi) ve kısıtlı koşullar için kullanılabilir(düşük Reynolds sayısı gibi). Çoğu durumda, makine mühendisleri, sürükleme katsayısının matematiksel olarak tanımlanamadığı durumlarda bile pratik sonuçlar elde etmelidir. Bu gibi durumlarda, mühendisler laboratuar deneyleri ve bilgisayar simülasyonlarının bir kombinasyonuna güvenirler. Bu tür yöntemler aracılığıyla, sürükleme katsayısı için sayısal değerler, çok çeşitli uygulamalar için mühendislik literatüründe tablo haline getirilmiştir. Örneğin, nispeten tutkallı bir spor kullanım aracı, bir spor arabadan daha büyük bir sürükleme katsayısına (ve aynı zamanda daha büyük bir ön alana) sahiptir. Bu tablodaki C D ve A değerleri ile diğer yayınlanan veriler kullanılarak sürükleme kuvveti hesaplanabilir. Örnek olarak, Figurebelow, bir küre etrafında akışkan akarken etki eden sürükleme kuvvetini (veya küre akışkan içinde hareket ederken oluşacak kuvveti) tasvir etmektedir. Küre veya sıvının hareket edip etmediğine bakılmaksızın , ikisi arasındaki bağıl hız v aynıdır. Sıvı tarafından görüldüğü şekliyle kürenin ön alanı A = ¼Πd ^ 2’dir . Gerçekte, bir küre ile bir akışkan arasındaki etkileşim, ilaçları aerosol spreyler yoluyla dağıtan cihazlara , atmosferdeki kirletici partiküllerin hareketine ve fırtınalardaki yağmur damlalarının ve doluların modellenmesine yönelik önemli mühendislik uygulamalarına sahiptir . GrafikAşağıda,
0.1 < Re < 100.000 aralığında Reynolds sayısının bir fonksiyonu olarak pürüzsüz bir küre için sürükleme katsayısının nasıl değiştiği gösterilmektedir . 1000 < Re < 100.000 diyelim daha yüksek değerlerde, sürükleme katsayısı C D ~ 0.5 değerinde neredeyse sabittir .
Bu sonuç, Grafiğin logaritmik gösteriminde noktalı çizgi olarak gösterilir . Yukarıdaki denklemden elde edilen sonucun, yalnızca Reynolds sayısı birden az olduğunda daha genel C D eğrisi ile uyuştuğunu görebilirsiniz. Denklemin sürükleme kuvveti denklemine bu ikamesi, kürenin sürükleme kuvveti için düşük hız yaklaşımı verir.
Bu sonuç yalnızca düşük hızlar için geçerli olsa da, F D büyüklüğünün hıza, sıvının viskozitesine ve kürenin çapına göre nasıl arttığını görebilirsiniz . Deneyler, Reynolds sayısı arttıkça sürükleme kuvvetini küçümsemeye başladığını göstermektedir. Bir akışkanın akış modelinin temel karakteri Re ile laminerden türbülansa değiştiğinden yalnızca Re birden küçük olduğunda ve akış açıkça laminer olduğunda uygulanabilir . Bu denklemler herhangi kullanıldığında hesaplama , sen emin olmalısınız doğrulamak koşulu olduğunu Re < 1 karşılanmaktadır.