Trong vật lý, một lớp ranh giới là gì?

Một lớp ranh giới xảy ra khi một chất lỏng chảy qua một bề mặt cố định.Nó thường được định nghĩa là vùng chất lỏng có vận tốc nhỏ hơn 99% dòng chất lỏng không bị cản trở.Nói cách khác, đó là vùng của chất lỏng di chuyển bị chậm lại hơn 1 phần trăm bởi một bề mặt đứng yên.Lớp ranh giới đã được xác định để hiểu rõ hơn về cơ học chất lỏng bằng cách chia dòng chảy thành hai vùng hiển thị hành vi khác nhau.Các khu vực bên trong và bên ngoài lớp ranh giới cũng tạo ra ma sát theo những cách khác nhau.Một vấn đề ban đầu trong nghiên cứu khí động học đã giải quyết các phương trình Navier-Stokes phức tạp, được cho là chi phối dòng chảy của chất lỏng.Có nhiều trường hợp các giải pháp cho các phương trình Navier-Stokes không được biết đến.Tuy nhiên, người ta nhận thấy rằng dòng chất lỏng thể hiện hai phương thức hành vi chung: laminar và hỗn loạn.Dòng chảy laminar là dòng chảy mượt mà và có thể dự đoán được, giống như một quả bóng rơi qua mật ong.Dòng chảy hỗn loạn là ngẫu nhiên và bạo lực, giống như phát ra từ vòi lửa.Lớp ranh giới phân tách hai vùng dòng chất lỏng này.Bên trong lớp ranh giới, dòng chảy chủ yếu là laminar.Trong khu vực này, hành vi dòng chảy bị chi phối bởi các căng thẳng nhớt.Ứng suất nhớt tỷ lệ thuận với vận tốc của một vật đi qua;Một chất lỏng có độ nhớt cao, như mật ong, áp đặt nhiều ma sát lên các vật thể di chuyển nhanh chóng qua nó.Dòng chảy laminar được đặc trưng bởi chất lỏng chảy trong các đường song song mà không có sự bất thường.Bên ngoài lớp biên, dòng chất lỏng chiếm ưu thế.Dòng chảy hỗn loạn, cho dù trong chất lỏng hay khí, cho thấy hành vi tương tự.Biến thể hỗn loạn về tốc độ và hướng của các hạt làm cho dự đoán chính xác không thể với kiến thức hiện tại.Ảnh hưởng của ma sát trong dòng chảy hỗn loạn cũng khác với dòng chảy tầng.Ma sát nói chung không còn tỷ lệ thuận với vận tốc chất lỏng trong chế độ hỗn loạn.Lý do các quả bóng golf có lúm đồng tiền trong chúng có liên quan đến lớp không khí ranh giới.Ở vận tốc thấp, chẳng hạn như trong quá trình đặt, một quả bóng golf hình cầu hoàn hảo sẽ không có nhiều vấn đề với ma sát không khí.Tuy nhiên, trong chuyến bay tốc độ cao, những quả bóng golf hình cầu sẽ có lớp ranh giới lớn hơn so với các quả bóng lúm đồng tiền mdash; điều đó có nghĩa là không khí chảy nhiều hơn theo cách của lớp.Dòng chảy laminar này thực sự sẽ gây ra nhiều ma sát không khí hơn dòng chảy hỗn loạn.Những quả bóng golf lúm đồng tiền bay xa hơn các đối tác hình cầu của chúng vì chúng có lớp ranh giới nhỏ hơn và không trải nghiệm nhiều ma sát không khí.