科普 | 什么是空气阻力?

添加时间:2016-08-16   点击次数:3627

我们每时每刻都接触的空气,在某些情况下也会带来强大的阻力,空气阻力是如何产生的?如何减小空气阻力?如何让空气阻力为我们服务?今天我们就来谈一谈什么是空气阻力。

为什么伦敦奥运会上自行车运动员戴着一顶非常奇怪的头盔,穿着紧身衣,并且采用了蹲伏的骑行姿势呢?主要的原因就是要减小运动员比赛时的空气阻力。

相比下图中的19世纪的自行车运动员,2012年伦敦奥运会上自行车运动员使用了最新的技术以减小运动员比赛时的空气阻力,提高比赛的速度。

这些最新的技术有:流线型的头盔,自行车和车轮的形状,运动员骑行时的姿势等,所有的这些技术都是围绕着如何减小运动员比赛时的空气阻力这一目标进行的。这些措施都在风洞中进行了测试,以达到最佳的效果。自行车运动员在进行风洞流线显示试验

那么空气阻力是什么?空气阻力是怎么减慢自行车运动员比赛速度的?


空气阻力的定义

空气阻力,是指空气对运动物体的阻碍力,是运动物体受到气流的作用而产生的力。

空气阻力的大小可根据如下公式计算得到:

也就是说空气阻力存在于在大气中运动的物体上,且阻力大小与物体速度的平方和物体的迎风面积成正比,速度越快迎风面积越大那么空气阻力也越大。

对比赛中的自行车运动员以及飞行中的飞机和行驶中的汽车来说,空气阻力是一个不受欢迎的力。空气阻力减缓了他们的运动速度。

然而空气阻力有时也会是一种非常受欢迎并且必不可少的力。如宇宙飞船返回地球时,需要借助打开的降落伞增加飞船的空气阻力,以使得飞船能够安全平稳的着陆。如果没有空气阻力的帮助,人类的太空旅程将会变成一趟单程的旅途。

空气阻力的来源

汽车、飞机、火车等在运行时,由于前面的空气被压缩,物体表面与空气摩擦,以及尾部形成的部分真空,这些作用引起了空气阻力。


在下图中,当平行的气流流经圆柱体时,空气中的粒子被迫改变了流动方向,在圆柱的后部产生了湍流区域,形成了负压区,从而产生了空气阻力。因此气流在物体表面分离后形成湍流区是产生空气阻力的主要原因。湍流区域越大空气阻力也就越大。


由于气体具有粘性,气流流经任何物体表面后都会产生分离,但由于物体形状不同,分离点的位置也会不同,所受到的空气阻力也大相径庭。

表面粗糙的恐龙很早就发生了气流分离

流线型的汽车在尾部才发生气流分离

在汽车上空气阻力一般由压差阻力、诱导阻力、摩擦阻力、干涉阻力和内流阻力组成。其中压差阻力约占汽车总空气阻力的50%~65%,是空气阻力的主要组成部分。

空气阻力对汽车性能的影响

空气阻力对汽车性能的影响主要体现在动力性和燃油经济性两个方面。
1、汽车动力性
空气阻力对汽车动力性的影响主要表现在最高车速、加速时间和最大爬坡度上。

由汽车的功率平衡方程(可参考教材“汽车空气动力学”-人民交通出版社版),分析可发现空气阻力均会影响到汽车的最高车速、加速性能和最大爬坡度。但在汽车最大爬坡度试验时,车速很小,空气阻力对最大爬坡度的影响可以忽略。

2、燃油经济性
汽车的燃油消耗主要是用于克服汽车的运动阻力。空气阻力的大小与速度的平方成正比,那么消耗于克服空气阻力的功率是与速度的三次方成正比。汽车行驶的速度越高,消耗于气动阻力的功率就越大,空气阻力所占的燃油消耗也越大。
相关数据表明,当一辆汽车以80km/h行进时,有60%的燃油是用来克服空气阻力的。通过降低空气阻力来改善燃油经济性是十分有效的手段。

如何减小空气阻力?
我们说空气阻力对运动的物体是不利的,因此如何减小空气阻力就成了人们设计时需要重点考虑的内容。
对比下图可发现,物体的形状对空气阻力的大小有较大的影响,表面越光滑的物体空气阻力越小,越接近流线型的物体空气阻力越小。假定平板的空气阻力为100%,良好流线型物体的空气阻力仅为平板空气阻力的5%。

由下图的流线可发现,相比具有流线型外形的汽车,棱角分明的长方体气流分离的位置更靠前,其尾部湍流区域也更大,在相同的正投影面积和速度下,长方体物体所受到的空气阻力元远大于流线型汽车的空气阻力。

因此,在汽车低阻力设计中,流线型首先进入了设计师的视野。在汽车发展史中,那些具备较低空气阻力的车型大多是具备流线型的。

下图中的沙发汽车肯定不会具备较小的空气阻力,没有了流线型车身的“保护”,气流会过早的发生分离,在沙发的背后形成较大的湍流区,犹如一双无形的双手,拖拽住了汽车。

在汽车空气动力学中,发动机舱和制动器冷却气流等带来的内流阻力约占汽车总空气阻力的10%~18%。因此发动机舱和轮腔内气流优化也在气动减阻中发挥了重要的作用。

奔驰S级的主动格栅技术

宝马汽车的轮腔通气口
此外,减少汽车表面的突出物和缝隙,也是减小空气阻力的重要方式,如后视镜、门把手,车灯等。

福特外露式车灯

奥迪A4一体式车灯
在竞速类体育运动中,人们为减小空气阻力的大小,往往从运动员的姿态和穿戴的装备中入手,比如自行车运动员流线型头盔,滑雪运动员的滑雪的姿势等。

利用空气阻力
正如我们上面说的,空气阻力在某些情况下是必不可少的。可以说正是有了空气阻力,某些情况下才保障了我们的安全。
1、降落伞
降落伞是利用空气阻力使人或物从空中安全降落到地面的工具。它广泛应用于航空航天人员救生,空降兵作战和训练,跳伞运动,空投物资,回收飞行器等。现代降落伞除少数部件用金属部件制成外,大多用强度大、重量轻的化学纤维织物制成。伞衣形状有方形、圆形、导向面形和翼形等。

方形降落伞

翼型降落伞
中国人早就认识到空气阻力可以对抗地心引力,使位于高处的人平安落地。据《史记》记载,舜利用两个斗笠,从着火的仓廪上跳下,安全落地,这是人类利用空气阻力的最初尝试。12世纪,中国已有人用两把带柄的伞从高塔“跳伞”成功的记载。14世纪,中国杂技艺人用类似降落伞的装置作 “跳伞”表演。

2、减速板
布加迪威航的最高速度可达到407km/h,如何在一定的时间内停下,布加迪的工程师通过尾翼改变角度,增加汽车抓地力,增大磨擦,其空气制动力占整个刹车力的三分之一。

布加迪威龙打开后扰流板
在飞机上通常在机身或机翼上有2~4块减速板,在降落或其他需要增加阻力的时候,由液压作动力使减速板开启一个角度,增加飞机的迎风面积并破坏飞机流线形,对空气形成增阻和扰流的作用,使飞机骤然减速。

歼15飞鲨降落时打开减速板
3减速伞
减速伞也叫阻力伞,是装在飞机尾部的伞舱内,用来减小飞机着陆时滑跑距离的工具。飞机着陆滑跑中,由飞行员操纵打开伞舱门,引导伞首先张开,将伞袋拉出,打开主伞,伞衣被拉出张开后可增大空气阻力,向后拖拽飞机,使之减速,缩短滑跑距离。


后记
本期为“汽车风洞技术”推出的汽车空气动力学知识系列的首期,后续我们将继续推出该系列文章,也欢迎国内该领域的专家学者和行业工程师投稿,分享您在该领域的知识和经验。

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