[科普中國]-空氣阻力

空氣阻力，指空氣對運動物體的阻礙力，是運動物體受到空氣的彈力而產(chǎn)生的。汽車、船舶、鐵路機(jī)車等在運行時，由于前面的空氣被壓縮，兩側(cè)表面與空氣的摩擦，以及尾部后面的空間成為部分真空，這些作用所引起的阻力。在逆風(fēng)運行時，還要把風(fēng)力附加在內(nèi)。在現(xiàn)實生活中，自由落體也受空氣阻力的影響，其速度，接觸面積，空氣密度等都會影響空氣阻力的大小。

空氣阻力簡介空氣阻力是汽車在空氣介質(zhì)中行駛，汽車相對于空氣運動時空氣作用力在行駛方向形成的分力，空氣阻力與汽車速度的平方成正比，車速越快阻力越大。如果空氣阻力占汽車行駛阻力的比率很大，則會增加汽車燃油消耗量或嚴(yán)重影響汽車的動力性能。

在一級方程式賽車界中有這么一句話：“誰控制好空氣，誰就能贏得比賽”。追求最佳的空氣動力是現(xiàn)代一級方程式賽車中最重要的部分之一。在時速達(dá)300km以上的賽車世界中，空氣在很大程度上決定了賽車的速度?？諝鈩恿χ校紤]的要素簡而言之有兩點。

1、減少空氣阻力（drag）；

2、增加把賽車下壓的下壓力（downforce）?？諝庾枇υ叫≠愜嚨乃俣仍侥茉娇?，下壓力越大賽車在彎道時的速度就越快?？諝鈩恿W(xué)簡單說就是如何取決在某些時候這兩個完全相反的力的最佳平衡。實際操作時要與環(huán)境因素造成的氣流量的壓強(qiáng)掛鉤。 否則你將區(qū)別不出什么是空氣動力和空氣阻力。

摩擦阻力

指空氣粘度在車身表面產(chǎn)生的切向力在行駛方向的分力；該力僅占空氣阻力總額的9%，在航空和航天中其作為重點考慮對象，在地面一般車輛中可予以忽略。

降落傘是利用空氣阻力，依靠相對于空氣運動充氣展開的可展式氣動力減速器，使人或物從空中安全降落到地面的一種航空工具。主要由柔性織物制成。是空降兵作戰(zhàn)和訓(xùn)練、航空航天人員的救生和訓(xùn)練、跳傘運動員進(jìn)行訓(xùn)練、比賽和表演，空投物資、回收飛行器的設(shè)備器材。

在空中運動的物體，受到空氣的阻力，在空氣中如果速度低于2.5 M（馬赫），基本上認(rèn)為其阻力f與阻力系數(shù)k傘的面積S速度成正比 （f=ksv），這時k一般可取為2.937。當(dāng)其在空氣中如果速度高于2.5 M（馬赫），由于空氣的摩擦， 開始出現(xiàn)氣動加熱現(xiàn)象。

運動方程通過對空氣阻力積分，我們可以得到在空氣阻力條件下的加速度，速度和位移方程。

根據(jù)空氣阻力的公式： 計算。

式中：C為空氣阻力系數(shù)，該值通常是實驗值，和物體的特征面積（迎風(fēng)面積），物體光滑程度和整體形狀有關(guān)；ρ為空氣密度，正常的干燥空氣可取1.293g/l，特殊條件下可以實地監(jiān)測；S物體迎風(fēng)面積；V為物體與空氣的相對運動速度。由上式可知，正常情況下空氣阻力的大小與空氣阻力系數(shù)及迎風(fēng)面積成正比，與速度平方成正比。在空氣中如果速度達(dá)到2.5M（馬赫） 附近， 由于空氣的摩擦， 開始出現(xiàn)氣動加熱現(xiàn)象。

假設(shè)空氣不動，上式中V=物體速度v。

由于空氣阻力方向與物體運動方向相反，因此以物體運動速度為正值時，空氣阻力方向則為負(fù)值。

如此加速度公式 .這是一個以t為自變量的簡單微分方程。

分離變量：

兩邊積分：

解微分方程：

當(dāng).時:

得：

類似地可以積分出位移和時間的關(guān)系。位移和時間呈自然對數(shù)相關(guān)。

汽車方面汽車阻力指汽車外表面大氣作用的法向壓力在行駛方向的分力；根據(jù)阻力源的不同，壓力阻力又分為：形狀阻力、干擾阻力、內(nèi)循環(huán)阻力及誘導(dǎo)阻力。

（1）形狀阻力

由車身形狀的不同而產(chǎn)生的空氣阻力（主要由作用在汽車前、后兩面的壓力差所至），其占空氣阻力總額的58%；

（2）干擾阻力

車身中局部突起部分（如：反光鏡、車門把手等）產(chǎn)生的空氣阻力，其占空氣阻力總額的14%；

（3）內(nèi)循環(huán)阻力

發(fā)動機(jī)進(jìn)、排氣系統(tǒng)、冷卻系、車身通風(fēng)系統(tǒng)等所需要和產(chǎn)生的空氣流流經(jīng)車體內(nèi)部所產(chǎn)生的阻力，其占空氣阻力總額的12%；

（4）誘導(dǎo)阻力

空氣升力在水平方向的投影（主要由作用在車身上、下兩面的壓力差所至），其占空氣阻力總額的7%1；

阻力系數(shù)汽車的空氣阻力系數(shù)是一種車型的重要參數(shù)。對新車型設(shè)計和車型改裝來說，為減少空氣阻力系數(shù)，以獲得良好的汽車動力性和燃料經(jīng)濟(jì)性，是汽車設(shè)計者的一項重要工作。

汽車在行駛中由于空氣阻力的作用，圍繞著汽車重心同時產(chǎn)生縱向、側(cè)向和垂直等三個方向的空氣動力量，其中縱向空氣力量是最大的空氣阻力，大約占整體空氣阻力的80%以上?？諝庾枇ο禂?shù)值是由風(fēng)洞測試得出來的。

由于空氣阻力與空氣阻力系數(shù)成正比關(guān)系，現(xiàn)代轎車為了減少空氣阻力就必須要考慮降低空氣阻力系數(shù)。從20世紀(jì)50年代到70年代初，轎車的空氣阻力系數(shù)維持在0.4至0.6之間。70年代能源危機(jī)后，各國為了進(jìn)一步節(jié)約能源，降低油耗，都致力于降低空氣阻力系數(shù)。轎車的空氣阻力系數(shù)一般在0.28至0.4之間。

試驗表明，空氣阻力系數(shù)每降低10%，燃油節(jié)省7%左右。曾有人對兩種相同質(zhì)量、相同尺寸；但具有不同空氣阻力系數(shù)(分別是0.44和0.25)的轎車進(jìn)行比較，以每小時88km的時速行駛了100km，燃油消耗后者比前者節(jié)約了1.7L。

加裝尾翼法汽車在行駛過程中的阻力可分為縱向、側(cè)向和垂直上升3個方面的作用。其中升力是由于氣流通過汽車上下面時流速不同而產(chǎn)生壓力差造成的，升力會使汽車產(chǎn)生向上浮起的趨勢，一方面導(dǎo)致輪胎與地面的接觸載荷減小，另一方面導(dǎo)致懸架幾何學(xué)特性發(fā)生變化，所以升力通常導(dǎo)致汽車的操縱穩(wěn)定性變差。

汽車尾翼的作用，就是在汽車高速行駛時，使空氣阻力形成一個向下的壓力，盡量抵消升力，從而提高行駛的穩(wěn)定性。

汽車尾翼形狀尺寸是經(jīng)過設(shè)計師精確計算而確定的，不宜過大也不宜過小，不然反而會增加轎車的行車阻力或起不到應(yīng)有的作用。2

車身形狀合理地車身形狀對于減小汽車的空氣阻力具有重要作用，現(xiàn)代車身空氣動力學(xué)工程師認(rèn)為，低空氣阻力系數(shù)值的轎車車身應(yīng)遵循下列要點：

車身前部

發(fā)動機(jī)蓋應(yīng)向前下傾，如下圖所示。面與面交接處的棱角應(yīng)為圓柱狀。風(fēng)窗玻璃應(yīng)盡可能“躺平”且與車頂圓滑過渡。前支柱應(yīng)圓滑，側(cè)窗應(yīng)與車身相平。盡量減少燈、后視鏡等凸出物，凸出物的形狀應(yīng)接近流線型。在保險杠下面的前面，應(yīng)裝有合適的擾流板。車輪蓋應(yīng)與輪胎相平。

整車

整個車身應(yīng)向前傾斜1°~2°，水平投影應(yīng)為“腰鼓”形，后端稍稍收縮，前端呈半圓形。

汽車后部

最好采用艙背式(hatch back)或直背式(fast back)。應(yīng)有后擾流板。若用折背式(notch back)，則行李箱蓋板至地面距離應(yīng)高些，長度要短些，后面應(yīng)有鴨尾式結(jié)構(gòu)，如下圖所示。

車身底部

所有零部件應(yīng)在車身下平面內(nèi)且較平整，最好有平滑的蓋板蓋住底部，如下圖所示。蓋板從車身中部或由后輪以后向上稍稍升高。

發(fā)動機(jī)冷卻進(jìn)風(fēng)系統(tǒng)

仔細(xì)選擇進(jìn)風(fēng)口與出風(fēng)口的位置，應(yīng)有高效率的冷卻水箱、精心設(shè)計的內(nèi)部風(fēng)道，如下圖所示。

對于貨車與半掛車，在駕駛室頂部加裝導(dǎo)流罩（如下圖所示），可以減小空氣阻力，改善燃油經(jīng)濟(jì)性。

試驗在研究車身這類非流線體特性時，空氣動力學(xué)試驗已成為一種標(biāo)準(zhǔn)方法。風(fēng)洞測試中，可采用整車模型或比例模型進(jìn)行試驗，也可進(jìn)行道路實車試驗。通過模型試驗確定設(shè)計車輛的空氣動力特性，對某些設(shè)計環(huán)節(jié)或部件進(jìn)行改進(jìn)，完善設(shè)計。

盡管空氣動力特性可根據(jù)理論方法和計算流體軟件來求解相關(guān)的流體力學(xué)方程來求出，但是，由于車輛外形的復(fù)雜性，很難用數(shù)值方法計算出與實際情況相符的氣動數(shù)據(jù)。因此在對符合空氣動力特性的車身設(shè)計中，風(fēng)洞試驗仍十分必要。

風(fēng)洞試驗首先要做出車輛模型，然后安裝在風(fēng)洞的人工流場中，用儀器測量作用在模型上的力和力矩，以及用噴煙或氣流染色或貼絲線等辦法來觀察模型附近流線的變化，如下圖所示。

雖然風(fēng)洞試驗的效能已被廣泛承認(rèn)，但因為要模擬輪胎轉(zhuǎn)動，地面運動和發(fā)動機(jī)進(jìn)、排氣的影響、以及閉塞效應(yīng)修正和速度修正等都很復(fù)雜，因此風(fēng)洞試驗方法也不是沒有缺陷的。

應(yīng)用降落傘利用空氣阻力使人或物從空中安全降落到地面的工具。它廣泛應(yīng)用于航空航天人員救生，空降兵作戰(zhàn)和訓(xùn)練，跳傘運動，空投物資，回收飛行器和設(shè)備等。降落傘按用途分為人用傘和物用傘。人用傘有救生傘、傘兵傘、運動傘和備用傘。物用傘有投物傘、回收傘等。用以縮短飛機(jī)著陸滑跑距離的阻力傘，就其工作原理來說，也屬于降落傘。

據(jù)《史記》記載，舜利用兩個斗笠，從著火的倉廩上跳下，安全落地，說明當(dāng)時已有人懂得利用空氣阻力減小物體從空中降落速度的道理。12世紀(jì)，中國已有人用兩把帶柄的傘從高塔“跳傘”成功的記載。14世紀(jì)，中國雜技藝人用類似降落傘的裝置作 “跳傘”表演。15世紀(jì)，意大利著名藝術(shù)家達(dá)·芬奇曾畫了一個角錐形降落傘草圖，并作了說明。氣球的出現(xiàn)，促進(jìn)了降落傘的發(fā)展。1783年，法國人L.S.勒諾芒研制了帶剛性骨架的降落傘。1797年，法國人A.J.加爾納蘭用降落傘從氣球上跳傘成功。20世紀(jì)初期，歐美一些國家先后發(fā)明能折疊在傘包里、可由跳傘員手控打開的降落傘。1912年，美國人A.貝利第一次從飛機(jī)上跳傘成功。降落傘最初用于航空氣球救生。第一次世界大戰(zhàn)期間，大約有800名氣球偵察員被救，大戰(zhàn)末期用于飛機(jī)救生，第二次世界大戰(zhàn)中廣泛用于空降作戰(zhàn)，60年代用于航天員救生和航天器回收。

降落傘一般由引導(dǎo)傘、傘衣、傘繩、背帶系統(tǒng)、傘包、開傘設(shè)備等組成。引導(dǎo)傘用于拉直傘衣、傘繩，使傘衣張開；傘衣用于產(chǎn)生空氣阻力；傘繩連接傘衣和背帶系統(tǒng)；背帶系統(tǒng)用于承受開傘沖擊力；傘包用來包裝引導(dǎo)傘、傘衣、傘繩；開傘設(shè)備用于封鎖和打開傘包?，F(xiàn)代降落傘除少數(shù)部件用金屬部件制成外，大多用強(qiáng)度大、重量輕的化學(xué)纖維織物制成。傘衣形狀有方形、圓形、導(dǎo)向面形和翼形等。物用傘的傘衣面積，一般為幾平方米到90平方米，重型投物傘多用幾個傘組合而成。人用傘的傘衣面積通常為40～90平方米，下降速度一般不大于7米/秒，開傘沖擊力較小，下降穩(wěn)定，操縱靈活，大都裝自動開傘器。70年代研制成翼型降落傘，傘衣為氣囊結(jié)構(gòu)，面積約20平方米，傘衣張開后氣囊充滿空氣，展開呈機(jī)翼形狀，能產(chǎn)生一定升力，操縱輕便靈活，可獲得10米/秒左右的水平運動速度。隨著航空航天事業(yè)的不斷發(fā)展，降落傘的使用范圍將日益廣泛，其性能將朝著更加安全可靠、輕便靈活的方向發(fā)展。

減速傘減速傘也叫阻力傘，是用來減小飛機(jī)著陸時滑跑速度的傘狀工具。通常由主傘、引導(dǎo)傘和傘袋等組成，裝在飛機(jī)尾部的傘艙內(nèi)。飛機(jī)著陸滑跑中，由飛行員操縱打開傘艙門，引導(dǎo)傘首先張開，將傘袋拉出，打開主傘，傘衣被拉出張開后可增大空氣阻力，向后拖拽飛機(jī)，使之減速，縮短滑跑距離。

本詞條內(nèi)容貢獻(xiàn)者為:

周敏 - 副教授 - 西南大學(xué)