Fysiikassa mikä on rajakerros?

Rajakerros syntyy, kun neste virtaa kiinteän pinnan ohi. Se määritellään tyypillisesti nesteen alueeksi, jonka nopeus on alle 99% esteettömästä virtauksesta. Toisin sanoen se on liikkuvan nesteen vyöhyke, jota kiinteä pinta hidastaa yli 1 prosenttia. Rajakerros on määritelty ymmärtämään paremmin nesteen mekaniikkaa jakamalla virtaus kahteen alueeseen, joilla on erilainen käyttäytyminen. Rajakerroksen sisä- ja ulkopuolella olevat alueet tuottavat myös kitkaa eri tavoin.

Varhainen ongelma aerodynamiikan tutkimuksessa oli monimutkaisten Navier-Stokesin yhtälöiden ratkaiseminen, joiden uskotaan säätelevän nesteen virtausta. On monia tapauksia, joissa Navier-Stokesin yhtälöiden ratkaisuja ei tunneta. Huomattiin kuitenkin, että nestevirtauksella oli kaksi yleistä käyttäytymistapaa: laminaarinen ja turbulentti. Laminaarivirtaus on tasaista ja ennustettavaa, kuten hunajan läpi putoavan pallon virtaus. Turbulentti virtaus on satunnaista ja väkivaltaista, kuten paloletkusta tulevaa.

Rajakerros erottaa nämä kaksi nesteen virtausvyöhykettä. Rajakerroksen sisällä virtaus on pääasiassa laminaarista. Tällä alueella virtauskäyttäytymistä hallitsevat viskoosiset jännitykset. Viskoosi jännitys on suoraan verrannollinen ohi kulkevan kohteen nopeuteen; erittäin viskoosi neste, kuten hunaja, aiheuttaa paljon kitkaa esineille, jotka liikkuvat nopeasti sen läpi. Laminaarivirtaukselle on ominaista nesteen virtaus rinnakkain ilman epäsäännöllisyyttä.

Rajakerroksen ulkopuolella nesteen virtaus on vallitsevasti turbulenttia. Turbulentti virtaus, nesteessä tai kaasussa, osoittaa samanlaista käyttäytymistä. Kaoottiset vaihtelut hiukkasten nopeudessa ja suunnassa tekevät tarkista ennusteista mahdottomia nykyisen tiedon perusteella. Kitkan vaikutus turbulenttiin virtaukseen on myös erilainen kuin laminaarivirtaus. Kitka ei yleensä ole enää verrannollinen nesteen nopeuteen turbulentissa hoito -ohjelmassa.

Syy siihen, miksi golfpalloissa on kuoppia, liittyy ilman rajakerrokseen. Pienillä nopeuksilla, kuten putoamisen aikana, täydellisesti pallomaisella golfpallolla ei olisi paljon ongelmia ilman kitkassa. Suuren nopeuden lennon aikana pallomaisilla golfpalloilla olisi kuitenkin suurempi rajakerros kuin kuoppaisilla palloilla-mikä tarkoittaisi, että laminaarisesti virtaa enemmän ilmaa. Tämä laminaarivirta aiheuttaisi itse asiassa enemmän ilman kitkaa kuin turbulentti virtaus. Kupilliset golfpallot lentävät pidemmälle kuin pallomaiset kollegansa, koska niillä on pienempi rajakerros eivätkä ne koe yhtä paljon ilman kitkaa.