Rezistența de frecare este dată de rugozitatea suprafețelor. Deși suprafețele sunt aparent fine, ele pot fi destul de dure când sunt privite sub un microscop. Această rugozitate permite unui strat subțire de aer să se agațe de suprafața corpului formând zone mici de presiune scăzută ce măresc rezistența. Efectele de frecare se manifestă în orice fluid real, deci şi în aerul atmosferic şi duc pe de-o parte la aderarea acestuia la pereţi, iar pe de alta, la apariţia unor frecări interne tangenţiale între straturile de fluid (ce se deplasează cu viteze diferite unele faţă de altele) şi pereţi.
Rezultă că atunci când vom introduce un corp oarecare (de exemplu o aripă) în curentul de aer, datorită vâscozităţii, particulele fluidului din imediata apropiere vor adera la suprafaţa corpului, rămânând imobile. Pentru a ajunge de la o viteză egală cu "0" la viteza de curgere a curentului, aerul se va accelera într-un strat subţire din imediata vecinătate a corpului. Pornind de la cele arătate până acum, în anul 1905 lui L. Prandtl îi vine ideea că în cazul deplasării unei aripi de aeronavă, să împartă mediul aerian înconjurător în două regiuni:
A. domeniul mişcării exterioare, în care efectele de frecare sunt neglijabile (straturile de aer se deplasează cu aceeaşi viteză unele faţă de altele) şi mişcarea poate fi studiată cu ajutorul ecuaţiilor mecanicii fluidelor perfecte; B. domeniu redus ca întindere în care efectele de frecare sunt predominante. Acest strat care este influenţat de frecări interioare datorate diferenţelor de viteze, poartă denumirea de strat limită. Fig.
25 Stratul limită De remarcat fa ptul că în stratul limită nu sunt valabile legile mecanicii fluidelor perfecte (legea lui Bernoulli, Ecuaţia continuităţii, etc.), repartiţia presiunilor în jurul corpului fiind dictată în stratul exterior unde acţionează aceste legi. În urma a numeroase e xperienţe efectuate în tunelul aerodinamic s-a putut determina cum arată stratul limită pe un profil aerodinamic. Se poate observa astfel că pentru domeniul incidenţelor mici, avem următoarea distribuţie: Fig.
26 Evoluția stratului limită a = regiunea unde curgerea are loc în regim laminar (straturi paralele care alunecă unele faţă de altele) şi care se întinde de la bordul de atac al profilului până la un punct, unde numărul Re atinge o anumită valoare, numită critică, 𝑹𝒆𝒄. În această zona valoarea vitezei într-un punct va fi constantă în timp. Fig. 27 Stratul limită laminar b = regiune de tranziţie cuprinsă între 𝑹𝒆𝒄 şi 𝑹𝒆+, unde se face trecerea în mod gradat, la mişcarea turbulentă. c = regiune unde curgerea are loc în regim turbulent, parametrii mişcării prezentând fluctuaţii neregulate în timp şi spaţiu. Numărul Re va fi mai mare ca Re+, iar viteza într-un punct este funcţie de timp. Fig.
28 Stratul limită turbulent Continuând studiul comportării stratului limită se poate observa că datorită anumitor condiţii, atât stratul limită laminar cât şi cel turbulent se pot desprinde de pe profil, cu consecinţe majore în păstrarea calităţilor sale aerodinamice. Astfel, în porţiunea de la bordu l de atac până în zona grosimii sale maxime, viteza pe profil va prezenta o creştere continuă, gradientul de presiune va fi negativ, iar stratul limită va sta lipit de profil.
În porţiunea dintre zona grosimii maxime şi bordul de fugă, viteza pe extrados v a prezenta o scădere continuă, gradientul de presiune va deveni pozitiv şi stratul limită se va desprinde de pe profil în regiunea care urmează după punctul de viteză maximă. Urmărind vitezele în stratul limită de-a lungul profilului, se poate observa cum distribuţia lor îşi schimbă aspectul pe măsura încetinirii mişcării, ajungând să prezinte întoarceri de sens cu 180°. Punctul de pe suprafaţa corpului, în care se face trecerea de la curgerea în sensul general al mişcării la curgerea în sens invers (pentru o regiune din imediata vecinătate a peretelui), este punctul de desprindere a stratului limită.
În consecinţă, în spatele profilului se va forma o zonă de “apă moartă ” unde presiunea va fi foarte apropiată de cea a mediului înconjurător. Repartiţia presiunilor pe suprafaţa corpului se alterează, dând o componentă suplimentară în sensul mişcării aerului care determină creşterea rezistenţei la înaintare cu o valoare numită rezistenţă de formă. Fig.
29 Desprinderea stratului limită Se poate spune deci că rezistenţa la înaintare a unui profil se compune din: a. rezistenţa de formă care se datorează formei corpului şi implicit comportării stratului limită: - dacă stratul l imită rămâne ataşat de profil, rezistenţa de formă este neglijabilă faţă de portanţă şi reprezintă 30% - 40% din rezistenţa de frecare; - dacă stratul limită se desprinde de pe profil, rezistenţa de formă este de acelaşi ordin de mărime cu portanţa şi mult mai mare ca rezistenţa de frecare. b. rezistenţa de frecare care reprezintă însumarea forţelor de frecare dintre curentul de aer şi suprafaţa profilului.
Este de cel puţin zece ori mai redusă decât portanţa. c. rezistenţa indusă la aripa de anvergură finită. În zona bordului de atac stratul limită are o grosime foarte mică, de aproximativ 1 milimetru, iar orice fel de obiect, precum niturile, insectele, picăturile de apă, gheața, particule de praf, sunt suficient de mari pentru a cauza o tranziție turbulentă. Fig.
30 Desprinderea timpurie a stratului limită Făcând o sintez ă a celor prezentate în acest capitol, rezultă că pentru a avea o rezistenţă la înaintare cât mai mică, profilul trebuie: - să prezinte o rezistenţă de formă minimă prin întârzierea desprinderii stratului limită laminar sau turbulent (dacă nu este posibilă evitarea desprinderii), cu precizările: a. stratul limită laminar se desprinde foarte uşor, imediat după atingerea punctului de viteză maximă pe profil, nesuportând decelerarea; b. apariţia turbulenţei în stratul limită duce la întârzierea desprinderii, deoarece particulele de fluid din apropierea suprafeţei profilului prin procesele de amestec, împrumută energie de la curentul exterior. - să prezinte o rezistenţă de frecare minimă, cu precizările: a. stratul limită laminar datorită structurii interne de suprafeţe paralele care alunecă unele peste altele, prezintă tensiuni de frecare scăzute pe suprafaţa profilului; b. stratul limită turbulent, ca urmare a pierderilor prin amestec d atorită fluctuaţiilor prezintă tensiuni de frecare pe suprafaţa profilului foarte mari.
Speculând aceste observaţii, au fost înregistrate diferite modalităţi de inducere a turbulenţei în anumite zone ale aripilor sau ampenajelor diferitelor aeronave, procedeu prin care chiar dacă se măreşte rezistenţa de frecare (prin întârzierea desprinderii stratului limită), se micşorează mult rezistenţa de formă. Ca efect global, scade rezistenţa totală la înaintare. Fig. 31 Din aceste poze se poate observa curgerea fileurilor de aer fără turbulator instalat (A) și cu turbulator instalat (B).
În urma efectuării unui număr mare de experienţe în tunelul aerodinamic, s-a putut determina cu precizie comportarea stratului limită p entru diferite tipuri de aripi, în funcţie de clasa profilului sau forma în plan a aripii. A. Influenţa profilului S-a putut astfel constata că pentru profilele clasice groase, la unghiuri de incidenţă din ce în ce mai mari, stratul limită se va desprinde to t mai aproape de bordul de atac. Fig. 32 Comportamentul stratului limită la profilele groase A B Un element caracteristic profilelor subțiri și medii îl constituie aparția în stratul laminar a unei bule.
Incidenţa la care apare bula, modul în care se deplasează şi se rupe, depind de tipul şi caracteristicile profilului respectiv. Fig. 33 Comportamentul stratului limită la profilele medii și subțiri O categorie aparte de profile aerodinamice în ceea ce priveşte comportarea stratului limită, o constitu ie profilele laminare. Având grosimea maximă situată în a doua jumătate a corzii, curgerea pe profil este accelerată pe o distanţă mai mare în profunzime decât la profilele clasice. Stratul limită laminar se va menţine mai mult, (desprinderea va fi întârziată). Rezistenţele de formă şi frecare având valori reduse, se remarcă o scădere accentuată a rezistenţei totale la incidenţe mici. Fig.
34 Variația coeficientului de rezistență în funcție de unghiul de incidență la profile laminare Datorită caracteristicilor speciale, profilele laminare sunt foarte sensibile la starea suprafeţei, impunându-se o întreţinere deosebită prin spălare şi lustruire. B. Influenţa formei în plan a aripii Aripile cu o rezistență indusă minimă sunt cele care au forma în plan eliptică, astfel la unghiuri de incidenţă mari desprinderea stratului limită se face pe toată anvergura aripii, începând de la bordul de fugă spre bordul de atac.
La aripa dreptunghiular ă desprinderile încep de la mijlocul bordului de fugă şi se propagă spre extremităţi, iar la aripile triunghiulare şi trapezoidale desprinderile apar la bordurile marginale, deplasându-se apoi spre mijloc. Fig. 35 Desprinderea stratului limită la diferite tipuri de aripă Modul cum apare şi cum se propagă desprinderea stratului limită pe aripă, este de o importanţă deosebită în stabilirea performanţelor, stabilităţii şi maniabilităţii planorului respectiv. De exemplu, eficacitatea eleroanelor la diferite v iteze şi unghiuri de incidenţă de zbor, depinde de poziţionarea acestora faţă de zona unde începe desprinderea.
La zborul în zona incidenţelor mari, când ne apropiem de 𝛼𝑐𝑟𝑖𝑡𝑖𝑐, datorită evoluţiei desprinderii stratului limită pe aripă, apar mici tremurături care ne avertizează despre iminenţa unei angajări dacă se va continua creşterea unghiului de incidenţă. De asemenea pentru o anumită viteză de zbor, într-o configuraţie car acteristică, stratul limită poate prezenta detaşări şi ataşări succesive ce dau naştere unor trepidaţii. Acestea pot ajunge la rezonanţă cu frecvenţa de oscilaţie a anumitor suprafeţe de comandă sau părţi de structură care, în acest mod se pot bloca sau chiar rupe.