初識(shí)空氣動(dòng)力學(xué)

空氣的物理性質(zhì)包括溫度、壓強(qiáng)（也常稱壓力）、密度（或比重）、音速、粘性和壓縮性等方面。前四項(xiàng)大家比較熟悉，這里只介紹后兩項(xiàng)。

粘性是空氣自身或與接觸物體發(fā)生相對(duì)運(yùn)動(dòng)時(shí)相互黏滯或牽扯的特性。把手浸入水中，抽出時(shí)會(huì)有水珠黏附在手上，這表明水有粘性；把手浸入甘油或蜂蜜中間，附著的就更多，這表明它們的粘性比水大得多?？諝獾恼承院苄?，平時(shí)不易覺(jué)察。

（被蘋果砸中的科學(xué)家—牛頓）

關(guān)于粘性力的大小，物理學(xué)家牛頓（Isaac Newton）通過(guò)總結(jié)大量實(shí)驗(yàn)結(jié)果得出：粘性摩擦力F 與流體的物理特性有關(guān)，與兩層流體的速度差、接觸面積成正比，與層間距離成反比（圖11-3），即：

式中：F 為流體間的粘性摩擦力；τ表示單位面積上的摩擦力，即應(yīng)力；??是比例常數(shù)，與流體種類及環(huán)境有關(guān)，稱為動(dòng)力粘性系數(shù)，單位為Pa ? s；???為兩層流體流動(dòng)速度差；???為兩層流體距離；??為流體層面積。

壓縮性是指在壓強(qiáng)（壓力）作用或溫度改變的情況下，空氣改變自身密度和體積的一種特性。

在不受外力的狀態(tài)下，氣體分子呈自由運(yùn)動(dòng)狀態(tài)（稱自由或平衡狀態(tài)），運(yùn)動(dòng)方向不一，彼此間時(shí)不時(shí)會(huì)出現(xiàn)碰撞。一旦受到外載荷作用，空氣分子運(yùn)動(dòng)就會(huì)呈現(xiàn)方向性，形成氣流。氣流流動(dòng)過(guò)程中受到各種外部力量的影響，壓力與流速特性也會(huì)發(fā)生變化。那么，氣流流速和壓力會(huì)怎樣變化呢？

我們可以通過(guò)實(shí)驗(yàn)來(lái)觀察一下：拿一張A4紙，緊貼下嘴唇的上沿，紙會(huì)在重力的作用下自然下垂；然后，猛吹一口氣，就會(huì)發(fā)現(xiàn)下垂的紙會(huì)飄起來(lái)。為什么呢？針對(duì)類似的現(xiàn)象，丹尼爾·伯努利 （Nicolaus Bernoulli）通過(guò)無(wú)數(shù)次實(shí)驗(yàn)后發(fā)現(xiàn)：流體速度加快時(shí)，流體與物體接觸的界面上的壓力會(huì)減?。环粗?，流體速度降低時(shí)，壓力會(huì)增加。為紀(jì)念這位科學(xué)家的貢獻(xiàn)，這一發(fā)現(xiàn)被稱為伯努利效應(yīng)。根據(jù)伯努利效應(yīng)，當(dāng)我們吹氣的時(shí)候，紙上方的空氣流速增加，壓力降低，與紙下方的空氣產(chǎn)生壓力差，在這個(gè)壓力差（升力）的作用下紙就飄了起來(lái)。

伯努利效應(yīng)在交通工具中有廣泛的應(yīng)用，像飛機(jī)的機(jī)翼、汽車尾翼都是根據(jù)這個(gè)原理設(shè)計(jì)的。當(dāng)飛機(jī)以速度V向前滑行時(shí)，機(jī)翼擠壓前方空氣，空氣流動(dòng)產(chǎn)生擾流。機(jī)翼上部外形凸起，使得上部氣流流速大于下部。根據(jù)伯努利原理，機(jī)翼下表面的壓力大于上表面，飛機(jī)就是在這個(gè)壓力差，也即升力的作用下實(shí)現(xiàn)了起飛。對(duì)于汽車尾翼，它的原理與機(jī)翼一樣，可以當(dāng)作一個(gè)反向布置的機(jī)翼：當(dāng)汽車行駛時(shí)，產(chǎn)生一個(gè)向下的壓力差，提高車輛高速運(yùn)行穩(wěn)定性。

（伯努利效應(yīng)在飛機(jī)和汽車中的應(yīng)用）

（機(jī)翼原理）

回到我們火車上。在高速列車外形設(shè)計(jì)中，要通過(guò)頭車鼻錐外形的設(shè)計(jì)引導(dǎo)空氣合理地分流，使列車所受升力接近零，因?yàn)檫^(guò)大的升力會(huì)使列車穩(wěn)定性變差，影響行車安全；而負(fù)的升力（壓力）偏大會(huì)增加輪軌磨耗。

（頭車分流示意圖）

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