Кіріспе

Сұйықтық динамикасында Д’Алембер парадоксы (немесе гидродинамикалық парадокс) – 1752 жылы француз математигі Жан ле Ронд д’Алембер тапқан қарама-қайшылық. Д’Алембер сығылмайтын және тұтқырлығы жоқ потенциалдық ағын үшін, сұйыққа қатысты тұрақты жылдамдықпен қозғалатын дененің соққы күшінің нөлге тең екенін дәлелдеді. Соққы күшінің болмауы, ауа және су сияқты сұйықтықтарға қатысты қозғалатын денелерде байқалатын айқын соққы күшіне тікелей қайшы келеді, әсіресе жоғары Рейнольдс сандарына сәйкес келетін жоғары жылдамдықтарда. Бұл кері қайтымдылық парадоксының нақты мысалы. Д’Алембер 1749 жылы Берлин академиясының ағын кедергісіне қатысты мәселесін зерттей келе, былай деп қорытындылады: «Менің ойымша, барлық мүмкін қатаңдықпен дамытылған теория (потенциалдық ағын) кем дегенде бірнеше жағдайда толығымен жоғалатын кедергіні береді, бұл ерекше парадокс, оны түсіндіруді болашақ геометрлерге [яғни математиктерге, сол кезде екі термин де бір-бірін алмастырып қолданылған] қалдырамын». Физикалық парадокс теориядағы кемшіліктерді көрсетеді. Сұйықтық механикасы инженерлер тарапынан бастапқыда күмәндануға ұшырады, бұл химия бойынша Нобель сыйлығының лауреаты сэр Сирил Хиншелвудтың сөздерімен айтылғандай, құбылыстарды түсіндіре алмайтын гидравлика және құбылыстарды байқауға болмайтын теориялық сұйықтық механикасы арасындағы өкінішті бөлінуге әкелді. Ғылыми консенсус бойынша, парадокс пайда болуы тұтқырлықтың ескерілмеген әсерінен туындайды. 19 ғасырда ғылыми тәжірибелермен бірге тұтқыр сұйықтықтардың үйкелісі теориясында үлкен жетістіктерге қол жеткізілді. Парадоксқа қатысты, бұл 1904 жылы Людвиг Прандтльдің жұқа шекаралық қабаттарды ашуымен және сипаттауымен аяқталды. Тіпті өте жоғары Рейнольдс сандары кезінде де, жұқа шекаралық қабаттар тұтқыр күштердің нәтижесінде сақталады. Бұл тұтқыр күштер ағымдық денелерде үйкеліс соққысын тудырады, ал дөңгелек пішіндес денелер үшін ағынның бөлінуі және дененің артында төмен қысымды ояну аймағы пайда болады, бұл формалық соққыға әкеледі. Сұйықтық механикасы қауымдастығының балама пікірі бойынша, практикалық тұрғыдан қарағанда, парадокс Прандтль ұсынған жолмен шешілген. Формалды математикалық дәлелдеме жоқ, және оны ұсыну қиын, өйткені көптеген басқа да сұйықтық ағыны мәселелерінде, Навье-Стокстің теңдеулерін қолдануда (тұтқыр ағынды сипаттау үшін қолданылады) осы мәселелерге тән.

Сырлы сүргі: Сен-Венан, Навье және Стокс

Парадоксты шешудегі алғашқы қадамдарды Сен-Венан жасады, ол тұтқыр сұйықтықтардың үйкелісін модельдеді. Сен-Венан 1847 жылы былай деді: "Бірақ егер өткен ғасыр геометриялық есептеулерінің нысаны болған идеалдық сұйықтық орнына, шекті сандағы молекулалардан тұратын және қозғалыс кезінде тең емес қысым күштерін немесе олар әрекет ететін беттік элементтерге жанама құрамдас күштерін тудыратын нақты сұйықтық қолданылса, басқа нәтижеге қол жеткізіледі; біз бұл құрамдас күштерді сұйықтықтың үйкелісі деп атаймыз, бұл атау Декарттан және Ньютоннан бастап Вентуриге дейін берілді". Одан кейін, 1851 жылы, Стокс Сток ағынындағы шарға түсетін қарсылық күшін есептеді, бұл Стокс заңы деп белгілі. Сток ағыны – тұтқыр сұйықтықтың қозғалысын сипаттайтын Навье-Сток теңдеулерінің Рейнольдс санының төменгі шегі. Дегенмен, ағын мәселесі өлшемсіз түрге келтірілгенде, тұтқыр Навье-Сток теңдеулері Рейнольдс сандарының артуымен ықшам Эйлер теңдеулеріне жақындайды, бұл ағынның әлеуеттік ағын теориясының ықшам шешімдеріне жақындау керектігін көрсетеді – яғни д’Аламбер парадоксының нөлдік қарсылық күшіне. Бірақ, эксперименттік өлшемдер мен ағынның визуализациясы мұндай нәтижелерді көрсетпейді. XIX ғасырдың екінші жартысында бұл сұйықтық механикасының қолданылуына қатысты мәселелерді қайтадан тудырды.

Ұсақ шекаралық қабаттар: Prandtl

Неміс физигі Людвиг Прандтль 1904 жылы жіңішке тұтқыр шекаралық қабаттың әсері айтарлықтай кедергінің себебі болуы мүмкін деп ұсынды. Прандтль жоғары жылдамдықтар мен жоғары Рейнольдс сандары кезінде сырғанаусыз шекаралық шарт дененің қабырғасына жақын жұқа қабаттағы ағын жылдамдықтарының күрт өзгеруіне алып келеді деген пікірді айтты. Бұл шекаралық қабатта мағыналы энергияның тұтқыр ыдырауына және вихрь пайда болуына себеп болады. Тұйық теорияларда жоқ энергияның ыдырауы, дөңгелек пішіндес денелерде ағынның бөлінуіне әкеледі. Ояну аймағындағы төмен қысым формалық кедергіге себеп болады, және бұл тұтқырлықтың қабырғаға қатысты қиылысуынан туындайтын үйкеліс кедергісінен артық болуы мүмкін.