What is the main cause of aerodynamic drag?

Wanneer een object door de lucht beweegt, ondervindt het een kracht die die beweging tegenwerkt: aerodynamische weerstand, of drag. Deze kracht is de primaire vijand van efficiëntie voor alles wat zich snel verplaatst, van auto's en vliegtuuwen tot fietsers. Om haar oorsprong te begrijpen, moeten we kijken naar de interactie tussen het object en de luchtmoleculen die het ontmoet. Deze interactie manifesteert zich in twee fundamentele en onderling verbonden fenomenen.

De eerste en meest intuïtieve component is de vormweerstand, ook wel drukgradiëntweerstand genoemd. Deze ontstaat door het drukverschil tussen de voor- en achterkant van het object. Terwijl het object de luchtmoleculen opzij duwt, stapelen deze zich op aan de voorkant, wat een gebied van hoge druk creëert. Achter het object kan de lucht echter niet soepel terugstromen, waardoor een turbulente, lagedruk-wake ontstaat. Het is dit drukverschil dat het object effectief naar achteren trekt. Hoe groter en platter de achterkant, hoe groter de lagedrukzone en dus de weerstand.

De tweede, altijd aanwezige kracht is de schuifspanning of wrijvingsweerstand. Dit is het gevolg van de viscositeit van de lucht, de interne wrijving van het fluïdum. De luchtmoleculen die direct in contact komen met het oppervlak 'plakken' eraan vast, terwijl lagen iets verderop met verschillende snelheden bewegen. Deze snelheidsgradiënt langs het oppervlak kost energie en vertraagt het object. In tegenstelling tot vormweerstand is schuifspanning vooral afhankelijk van de totale oppervlakte en ruwheid van het object.

Hoewel beide fenomenen onlosmakelijk bijdragen, is de vormweerstand over het algemeen de dominante factor bij de meeste voertuigen en objecten bij hoge snelheden. Een slechte aerodynamische vorm, met name een abrupte achterzijde, leidt tot een enorme drukongelijkheid die het grootste deel van de energie opslokt. Pas wanneer een object extreem gestroomlijnd is, zoals de vleugel van een zweefvliegtuig, wordt de schuifspanning de beperkende factor. De kunst van aerodynamica ligt dus in het minimaliseren van die verstorende wake door een vorm die de lucht zo geleidelijk mogelijk laat versnellen en vertragen.