Vad är ett gränsskikt i fysiken?

Ett gränsskikt uppstår när en vätska rinner förbi en fast yta.Det definieras vanligtvis som det vätskeget vars hastighet är mindre än 99% av det obehindrade vätskeflödet.Med andra ord är det zonen för en rörlig vätska som bromsas mer än 1 procent av en stationär yta.Gränsskiktet har definierats för att bättre förstå vätskemekanik genom att dela flöde i två regioner som visar olika beteende.Regioner inom och utanför gränsskiktet genererar också friktion på olika sätt.

Ett tidigt problem inom aerodynamikforskning var att lösa de komplexa Navier-Stokes-ekvationerna, som tros styra flödet av vätska.Det finns många fall där lösningarna på Navier-Stokes-ekvationerna inte är kända.Det noterades emellertid att fluidflödet uppvisade två allmänna beteendemetoder: laminärt och turbulent.Laminärt flöde är ett smidigt och förutsägbart flöde, som en boll som faller genom honung.Turbulent flöde är slumpmässigt och våldsamt, som det som kommer ut ur en eldslang.

Gränsskiktet skiljer dessa två vätskeflödeszoner.Inuti gränsskiktet är flödet främst laminärt.I denna region domineras flödesbeteendet av viskösa spänningar.Viskös stress är direkt proportionell mot hastigheten för ett förbipasserande objekt;En mycket viskös vätska, som honung, sätter mycket friktion på föremål som rör sig snabbt genom den.Laminärt flöde kännetecknas av vätska som flyter i parallella linjer utan oegentligheter.

Utanför gränsskiktet är vätskeflödet dominerande turbulent.Turbulent flöde, vare sig det är i en vätska eller gas, visar liknande beteende.Kaotiska variationer i hastighet och riktning för partiklar gör exakta förutsägelser omöjliga med aktuell kunskap.Effekten av friktion i turbulent flöde skiljer sig också från laminärt flöde.Friktion är i allmänhet inte längre proportionell mot flytande hastighet i den turbulenta regimen.

Anledningen till att golfbollar har gropar i dem är relaterat till gränsskiktet av luft.Vid låga hastigheter, såsom under att sätta, skulle en perfekt sfärisk golfboll inte ha mycket problem med luftfriktion.Under höghastighetsflygning skulle emellertid sfäriska golfbollar ha ett större gränsskikt än fördjupade bollar mdash; vilket skulle innebära att mer luft flyter förbi på det laminära sättet.Detta laminära flöde skulle faktiskt orsaka mer luftfriktion än ett turbulent flöde skulle.Dimmade golfbollar flyger längre än sina sfäriska motsvarigheter eftersom de har ett mindre gränsskikt och inte upplever så mycket luftfriktion.