В физике, что такое пограничный слой?

Пограничный слой возникает, когда жидкость течет мимо неподвижной поверхности. Обычно он определяется как область жидкости, скорость которой составляет менее 99% от беспрепятственного потока жидкости. Другими словами, это зона движущейся жидкости, которая замедляется более чем на 1 процент неподвижной поверхностью. Граничный слой был определен, чтобы лучше понять механику жидкости, разделив поток на две области, которые демонстрируют различное поведение. Области внутри и снаружи пограничного слоя также по-разному создают трение.

Первой проблемой в исследованиях аэродинамики было решение сложных уравнений Навье-Стокса, которые, как полагают, управляют потоком жидкости. Существует много случаев, когда решения уравнений Навье-Стокса не известны. Однако было отмечено, что течение жидкости проявляет два основных способа поведения: ламинарный и турбулентный. Ламинарный поток - это плавный и предсказуемый поток, подобный потоку шарика, падающего через мед. Турбулентный поток случайный и сильный, как будто он выходит из пожарного рукава.

Пограничный слой разделяет эти две зоны потока жидкости. Внутри пограничного слоя течение в основном ламинарное. В этой области в поведении потока преобладают вязкие напряжения. Вязкое напряжение прямо пропорционально скорости проходящего объекта; Высоковязкая жидкость, такая как мед, создает сильное трение для объектов, движущихся через нее быстро. Ламинарный поток характеризуется жидкостью, протекающей параллельными линиями без неровностей.

За пределами пограничного слоя поток жидкости является преимущественно турбулентным. Турбулентный поток, будь то в жидкости или газе, демонстрирует аналогичное поведение. Хаотические изменения в скорости и направлении частиц делают точные предсказания невозможными с современными знаниями. Эффект трения в турбулентном потоке также отличается от ламинарного потока. Трение обычно больше не пропорционально скорости жидкости в турбулентном режиме.

Причина, по которой мячи для гольфа имеют ямочки, связана с пограничным слоем воздуха. При низких скоростях, например, во время нанесения, идеально сферический мяч для гольфа не будет иметь особых проблем с трением воздуха. Однако во время высокоскоростного полета сферические мячи для гольфа будут иметь больший пограничный слой, чем шарики с ямочками, что будет означать, что ламинарным путем проходит больше воздуха. Этот ламинарный поток фактически вызовет большее трение воздуха, чем турбулентный поток. Ямочки для гольфа с ямочками летят дальше, чем их сферические аналоги, потому что они имеют меньший пограничный слой и не испытывают такого большого трения воздуха.