Στη Φυσική, τι είναι το οριακό στρώμα;

Ένα οριακό στρώμα εμφανίζεται όταν ένα ρευστό ρέει πέρα ​​από μια σταθερή επιφάνεια. Τυπικά ορίζεται ως η περιοχή του ρευστού της οποίας η ταχύτητα είναι μικρότερη από το 99% της ανεμπόδιστης ροής του ρευστού. Με άλλα λόγια, είναι η ζώνη ενός κινούμενου ρευστού που επιβραδύνεται περισσότερο από 1 τοις εκατό από μια ακίνητη επιφάνεια. Το οριακό στρώμα έχει οριστεί για την καλύτερη κατανόηση της μηχανικής των ρευστών διαιρώντας τη ροή σε δύο περιοχές που παρουσιάζουν διαφορετική συμπεριφορά. Οι περιοχές εντός και εκτός του οριακού στρώματος δημιουργούν επίσης τριβή με διαφορετικούς τρόπους.

Ένα πρώιμο πρόβλημα στην αεροδυναμική έρευνα ήταν η επίλυση των πολύπλοκων εξισώσεων Navier-Stokes, που πιστεύεται ότι διέπουν τη ροή του ρευστού. Υπάρχουν πολλές περιπτώσεις όπου οι λύσεις των εξισώσεων Navier-Stokes δεν είναι γνωστές. Παρατηρήθηκε, ωστόσο, ότι η ροή ρευστού παρουσίαζε δύο γενικούς τρόπους συμπεριφοράς: στρωτό και τυρβώδες. Η στρωτή ροή είναι ομαλή και προβλέψιμη ροή, όπως αυτή μιας μπάλας που πέφτει μέσα από το μέλι. Η τυρβώδης ροή είναι τυχαία και βίαιη, όπως αυτή που βγαίνει από έναν πυροσβεστικό σωλήνα.

Το οριακό στρώμα διαχωρίζει αυτές τις δύο ζώνες ροής ρευστού. Μέσα στο οριακό στρώμα, η ροή είναι κυρίως στρωτή. Σε αυτή την περιοχή, η συμπεριφορά ροής κυριαρχείται από ιξώδεις τάσεις. Η ιξώδης τάση είναι ευθέως ανάλογη με την ταχύτητα ενός διερχόμενου αντικειμένου. ένα πολύ παχύρρευστο ρευστό, όπως το μέλι, επιβάλλει μεγάλη τριβή σε αντικείμενα που κινούνται γρήγορα μέσα από αυτό. Η στρωτή ροή χαρακτηρίζεται από το ρευστό που ρέει σε παράλληλες γραμμές χωρίς ανωμαλίες.

Έξω από το οριακό στρώμα, η ροή του ρευστού είναι κυρίως τυρβώδης. Η τυρβώδης ροή, είτε σε υγρό είτε σε αέριο, παρουσιάζει παρόμοια συμπεριφορά. Οι χαοτικές διακυμάνσεις στην ταχύτητα και την κατεύθυνση των σωματιδίων καθιστούν αδύνατες τις ακριβείς προβλέψεις με την τρέχουσα γνώση. Η επίδραση της τριβής στην τυρβώδη ροή είναι επίσης διαφορετική από τη στρωτή ροή. Η τριβή γενικά δεν είναι πλέον ανάλογη με την ταχύτητα του υγρού στο τυρβώδες σχήμα.

Ο λόγος που οι μπάλες του γκολφ έχουν λακκάκια σχετίζεται με το οριακό στρώμα του αέρα. Σε χαμηλές ταχύτητες, όπως κατά την τοποθέτηση, μια τέλεια σφαιρική μπάλα του γκολφ δεν θα είχε μεγάλο πρόβλημα με την τριβή του αέρα. Κατά τη διάρκεια πτήσης υψηλής ταχύτητας, ωστόσο, οι σφαιρικές μπάλες του γκολφ θα έχουν μεγαλύτερο οριακό στρώμα από τις μπάλες με λακκάκια – κάτι που θα σήμαινε ότι ρέει περισσότερος αέρας με στρωτό τρόπο. Αυτή η στρωτή ροή θα προκαλούσε στην πραγματικότητα περισσότερη τριβή αέρα από ότι μια τυρβώδης ροή. Οι μπάλες του γκολφ με λακκάκια πετούν πιο μακριά από τις αντίστοιχες σφαιρικές τους, επειδή έχουν μικρότερο οριακό στρώμα και δεν αντιμετωπίζουν τόση τριβή αέρα.