流體阻力是怎么回事

以汽車(chē)為參照物，空氣經(jīng)過(guò)汽車(chē)后的動(dòng)量減小了，根據(jù)動(dòng)量定理，這部分減小的動(dòng)量產(chǎn)生了對(duì)汽車(chē)的阻力。

導(dǎo)讀

流動(dòng)阻力是一個(gè)涉及很廣的問(wèn)題。汽車(chē)高速行駛的油耗主要來(lái)源于空氣阻力而不是地面的摩擦阻力，霧霾之所以可以“懸浮”在空中也是由于流動(dòng)阻力，槍彈和炮彈的飛行距離遠(yuǎn)小于根據(jù)平拋或者斜拋計(jì)算的距離，這些都說(shuō)明了空氣阻力的重要性。

01

壓差阻力和摩擦阻力

從受力角度分析，物體受到的阻力是流體直接作用在其表面上的。垂直于物體表面的是流體的壓力，其產(chǎn)生的阻力稱(chēng)為壓差阻力；平行于物體表面的是流體的黏性剪切力，其產(chǎn)生的阻力稱(chēng)為摩擦阻力。除了這兩種力之外，再?zèng)]有其它的力了。所以物體的總阻力就是壓差阻力和摩擦阻力的合力，壓差阻力與物體的形狀密切相關(guān)，摩擦阻力則主要與物體的表面積相關(guān)。

有些地方說(shuō)除了壓差阻力和摩擦阻力之外還存在誘導(dǎo)阻力，以及激波阻力等，是屬于一種誤解。實(shí)際上誘導(dǎo)阻力和激波阻力都可以歸結(jié)為壓差阻力和摩擦阻力（主要是壓差阻力）。

02

形狀阻力之后部阻力

自古以來(lái)人們就知道在流體中運(yùn)動(dòng)的物體會(huì)受到阻力作用，且阻力與物體形狀密切相關(guān)。但最初的流體力學(xué)理論卻得出了相反的結(jié)論?；跉W拉和伯努利的流體運(yùn)動(dòng)定律，如果忽略流體的黏性，則流體對(duì)在其中運(yùn)動(dòng)的任何形狀的物體都不產(chǎn)生阻力作用。

看來(lái)阻力完全是黏性產(chǎn)生的了，但空氣的黏性非常小，其產(chǎn)生的摩擦阻力比實(shí)際測(cè)量得到的氣動(dòng)阻力要小很多。這個(gè)矛盾在歷史上稱(chēng)為“達(dá)朗貝爾佯謬”，因?yàn)槭怯煞▏?guó)數(shù)學(xué)家達(dá)朗貝爾提出的。

直到普朗特提出了邊界層理論，人們才真正認(rèn)識(shí)到了流動(dòng)阻力的實(shí)質(zhì)。壓差阻力才是氣動(dòng)阻力的主要組成部分，而對(duì)于一般的物體，壓差阻力則主要是由于邊界層分離產(chǎn)生的。

早期的人們（可能現(xiàn)在很多人也這樣認(rèn)為）基于某種“常識(shí)”，認(rèn)為物體前部的形狀決定了阻力的大小，前部尖一些阻力就會(huì)小。有了邊界層理論后，發(fā)現(xiàn)物體后部的形狀才是更重要的。因?yàn)槲矬w后部的形狀決定了邊界層分離的位置，從而決定了物體表面的壓力分布。

常見(jiàn)的魚(yú)和鳥(niǎo)都是較為完美的流線體，是圓頭尖尾巴的。

03

形狀阻力之前部阻力

雖然說(shuō)物體后部的形狀對(duì)阻力大小是決定性的，但前部形狀也是很重要的。例如，物體前部如果是方頭的，流體就會(huì)在尖角處早早地分離，后部精心設(shè)計(jì)的形狀就失去意義了。目前在高速公路上跑的卡車(chē)，已經(jīng)實(shí)現(xiàn)的形狀優(yōu)化主要集中在前部，后部受集裝箱形狀的限制，所做的工作較少。對(duì)于跨聲速運(yùn)動(dòng)的物體，激波會(huì)產(chǎn)生額外的阻力，所以前部都設(shè)計(jì)成很尖的形狀，使激波的錐角更小，以減小阻力。

04

激波阻力

當(dāng)來(lái)流速度接近或超過(guò)聲速時(shí)，會(huì)產(chǎn)生激波，帶來(lái)額外的激波阻力。本質(zhì)上說(shuō)，激波阻力也是一種壓差阻力，是由于激波的存在，使物體后半部的壓力恢復(fù)不夠而造成的。忽略黏性損失，當(dāng)沒(méi)有激波時(shí)，氣流在物體后半部減速對(duì)應(yīng)一個(gè)壓升Δp1 ；當(dāng)存在激波時(shí)，氣流經(jīng)過(guò)激波時(shí)部分損失了部分機(jī)械能，同樣的減速對(duì)應(yīng)的壓升Δp2 就會(huì)比Δp1 要小。因此，有激波時(shí)物體后半部的壓力要低一點(diǎn)，這就是激波阻力的來(lái)源。把物體前緣做成尖的可以減小激波錐角，從而減小激波帶來(lái)的損失，也就減小了激波阻力。船在水面行進(jìn)時(shí)會(huì)產(chǎn)生水面波，也會(huì)有波阻力，所以要做成尖頭的，而在水下行進(jìn)的潛艇則是圓頭的。

用能量損失來(lái)解釋激波阻力不夠直接，畢竟物體表面的壓力和黏性力才是直接決定阻力大小的因素。下面用物體表面壓力變化來(lái)解釋激波阻力。

05

形狀和表面質(zhì)量對(duì)阻力的影響

減小阻力是流體力學(xué)永恒的主題。采用流線形可以有效地減小壓差阻力，這主要是因?yàn)樵O(shè)計(jì)良好的流線體表面不存在邊界層分離，從而減小了壓差阻力。

除了外形，物體的表面粗糙度對(duì)阻力也影響阻力。一般表面越光滑摩擦阻力越小，但有時(shí)卻故意讓物體表面粗糙，使邊界層變成湍流來(lái)抑制分離，從而顯著地降低壓差阻力。

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總結(jié)

分析物體的氣動(dòng)阻力的時(shí)候，流體力學(xué)的習(xí)慣是按照力的作用形式分。垂直作用在物體表面的壓力產(chǎn)生的阻力稱(chēng)為壓差阻力，而平行于物體表面的摩擦力形成的阻力稱(chēng)為摩擦阻力。由于物體表面不存在這兩種力之外的力，所以任何一種阻力不是壓差阻力就是摩擦阻力，或者兼而有之。

流動(dòng)分離產(chǎn)生的壓差阻力和激波產(chǎn)生的壓差阻力是影響物體氣動(dòng)阻力的最大因素。

亞聲速的低阻力物體是圓頭尖尾的，超聲速的低阻力體則頭尾都要尖。

審核編輯 ：李倩