Hva er et grenselag i fysikk?

Et grenselag oppstår når en væske strømmer forbi en fast overflate.Det er vanligvis definert som væskeområdet hvis hastighet er mindre enn 99% av den uhindrede væskestrømmen.Med andre ord, det er sonen for en bevegelig væske som bremses mer enn 1 prosent av en stasjonær overflate.Grenselaget er definert for å bedre forstå væskemekanikk ved å dele strømmen i to regioner som viser forskjellig oppførsel.Regioner i og utenfor grenselaget genererer også friksjon på forskjellige måter.

Et tidlig problem i aerodynamikkforskning var å løse de komplekse Navier-Stokes-ligningene, som antas å styre strømmen av væske.Det er mange tilfeller der løsningene på Navier-Stokes-ligningene ikke er kjent.Det ble imidlertid lagt merke til at væskestrømmen viste to generelle atferdsmåter: laminær og turbulent.Laminær strømning er jevn og forutsigbar flyt, som en ball som faller gjennom honning.Turbulent strømning er tilfeldig og voldelig, som den som kommer ut av en brannslange.

Grenselaget skiller disse to sonene med væskestrømning.Inne i grenselaget er strømmen først og fremst laminær.I denne regionen domineres strømningsatferd av tyktflytende spenninger.Viskøs stress er direkte proporsjonal med hastigheten til et forbipasserende objekt;En svært tyktflytende væske, som honning, pålegger gjenstander mye friksjon raskt gjennom den.Laminær strømning er preget av væske som strømmer i parallelle linjer uten uregelmessigheter.

Utenfor grenselaget er væskestrømmen dominerende turbulent.Turbulent strømning, enten det er i en væske eller gass, viser lignende oppførsel.Kaotiske variasjoner i hastighet og retning av partikler gjør presise spådommer umulige med dagens kunnskap.Effekten av friksjon i turbulent strømning er også forskjellig fra laminær strømning.Friksjon er generelt ikke lenger proporsjonal med væskehastighet i det turbulente regimet.

Årsaken til at golfballer har huler i seg er relatert til grenselaget med luft.Med lave hastigheter, for eksempel under putting, ville en perfekt sfærisk golfball ikke ha mye av et problem med luftfriksjon.Under høyhastighetsflyging ville imidlertid sfæriske golfballer ha et større grenselag enn dimplede baller og mdash; noe som vil bety at mer luft flyter av på den laminære måten.Denne laminære strømmen ville faktisk forårsake mer luftfriksjon enn en turbulent strøm ville gjort.Dimplede golfballer flyr lenger enn sine sfæriske kolleger fordi de har et mindre grenselag og ikke opplever like mye luftfriksjon.