Основними фізичними факторами, які визначають опір повітря, являється в’язкість або внутрішнє тертя повітря, вихроутворення та утворення балістичних хвиль. У відповідності до цього розрізняють три основні складові сили опору повітря: опір тертя, вихровий опір і хвильовий опір.
Опір тертя
Внаслідок наявності сил тертя між частинками повітря і поверхнею снаряда, що рухається, захоплює за собою тонкий шар повітря, який називається прикордонним шаром. Товщина прикордонного шару зазвичай складає декілька десятих міліметра, який зростає по напрямку від вершини до дна снаряда. На приведення у рух повітря у прикордонному шарі затрачається частина кінетичної енергії снаряда і швидкість його руху зменшується.
Опір тертя суттєво залежить від якості обробки поверхні снаряда, тобто від ступеня шорсткості. При великій шорсткості, яка обумовлена глибокими слідами різця на поверхні снаряда, у прикордонному шарі виникають місцеві завихрення, обриви потоків із виступів, опір тертя збільшується.
Вихровий опір
При малих швидкостях руху снаряда має місце безвідривне обтікання снаряда повітрям, тобто прикордонний шар ніде не відривається від поверхні снаряда.
У цьому випадку сила опору повітря незначна, так як її єдине джерело – опір тертя. По мірі збільшення швидкості руху картина обтікання снаряда повітрям змінюється.
При деякій збільшеній до певної межі швидкості снаряда внаслідок гальмування частинок прикордонного шару тертям порушується плавне обтікання поверхні снаряда, виникає відрив прикордонного шару від поверхні снаряда, який супроводжується вихроутворенням.
Відрив прикордонного шару проходить зазвичай у запоясній частині снаряда або за його донним зрізом. При цьому за донним зрізом снаряда утворюється область пониженого тиску, в яку із поверхні снаряда зриваються великі повітряні вихори, які утворюють вихровий слід за дном снаряда.
Хвильовий опір
Хвильовий опір повітря обумовлено його пружними властивостями. Характеристикою пружних властивостей повітря є швидкість розповсюдження звуку. При нормальних умовах швидкість розповсюдження звуку складає 340,8 м/с. Снаряд, який летить із більшою швидкістю, ніж швидкість звуку, стискає шари повітря, що розсікаються ним, у результаті чого перед головною частиною снаряда утворюється балістична хвиля, яка переміщається у напрямку руху снаряда із його швидкістю.
Балістична хвиля – це межа, що відокремлює ущільнену снарядом зону повітря від незбурненого повітря. На фронті балістичної хвилі різко змінюються параметри стану повітря: збільшується тиск, температура та щільність повітря; повітря за фронтом балістичної хвилі набуває швидкості у напрямку руху снаряда. Найбільш інтенсивно параметри повітря (наприклад, тиск) змінюються у центрі балістичної хвилі, де надлишковий тиск повітря може досягати при сучасних швидкостях руху снаряду в середньому 5-9 атмосфер.
По мірі віддалення від вершини хвилі вздовж її фронту надлишковий тиск на фронті зменшується. На достатньо великій відстані від снаряда надлишковий тиск практично відсутній і у межі виходить нескінченно мале ущільнення, яке поширюється зі швидкістю звуку і балістична хвиля переходить у звукову хвилю.
Автор відео: The Slow Mo Guys
76 mm M4A2E8 Sherman Tank
V0 ≈ 2740 km/h
Співвідношення між окремими складовими сили опору повітря для дозвукових і надзвукових швидкостей снаряда наведено у таблиці.
| швидкість снаряда | опір тертя | вихровий опір | хвильовий опір |
|---|---|---|---|
| V < a | 20-30 | 70-80 | – |
| V > a | 10-15 | 35-40 | 50 |