初識空氣動力學

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

粘性是空氣自身或與接觸物體發(fā)生相對運動時相互黏滯或牽扯的特性。把手浸入水中，抽出時會有水珠黏附在手上，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?，平時不易覺察。

（被蘋果砸中的科學家—牛頓）

關(guān)于粘性力的大小，物理學家牛頓（Isaac Newton）通過總結(jié)大量實驗結(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，即應力；??是比例常數(shù)，與流體種類及環(huán)境有關(guān)，稱為動力粘性系數(shù)，單位為Pa ? s；???為兩層流體流動速度差；???為兩層流體距離；??為流體層面積。

壓縮性是指在壓強（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，氣體分子呈自由運動狀態(tài)（稱自由或平衡狀態(tài)），運動方向不一，彼此間時不時會出現(xiàn)碰撞。一旦受到外載荷作用，空氣分子運動就會呈現(xiàn)方向性，形成氣流。氣流流動過程中受到各種外部力量的影響，壓力與流速特性也會發(fā)生變化。那么，氣流流速和壓力會怎樣變化呢？

我們可以通過實驗來觀察一下：拿一張A4紙，緊貼下嘴唇的上沿，紙會在重力的作用下自然下垂；然后，猛吹一口氣，就會發(fā)現(xiàn)下垂的紙會飄起來。為什么呢？針對類似的現(xiàn)象，丹尼爾·伯努利 （Nicolaus Bernoulli）通過無數(shù)次實驗后發(fā)現(xiàn)：流體速度加快時，流體與物體接觸的界面上的壓力會減??；反之，流體速度降低時，壓力會增加。為紀念這位科學家的貢獻，這一發(fā)現(xiàn)被稱為伯努利效應。根據(jù)伯努利效應，當我們吹氣的時候，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，在這個壓力差（升力）的作用下紙就飄了起來。

伯努利效應在交通工具中有廣泛的應用，像飛機的機翼、汽車尾翼都是根據(jù)這個原理設計的。當飛機以速度V向前滑行時，機翼擠壓前方空氣，空氣流動產(chǎn)生擾流。機翼上部外形凸起，使得上部氣流流速大于下部。根據(jù)伯努利原理，機翼下表面的壓力大于上表面，飛機就是在這個壓力差，也即升力的作用下實現(xiàn)了起飛。對于汽車尾翼，它的原理與機翼一樣，可以當作一個反向布置的機翼：當汽車行駛時，產(chǎn)生一個向下的壓力差，提高車輛高速運行穩(wěn)定性。

（伯努利效應在飛機和汽車中的應用）

（機翼原理）

回到我們火車上。在高速列車外形設計中，要通過頭車鼻錐外形的設計引導空氣合理地分流，使列車所受升力接近零，因為過大的升力會使列車穩(wěn)定性變差，影響行車安全；而負的升力（壓力）偏大會增加輪軌磨耗。

（頭車分流示意圖）

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