力学与现代生活08机制2朱东鑫

1、生活中的流体力学当我们观察生活时可以发现，我们生活在一个流体的世界里。生 活离不开流体，同样我们也离不开流体。鹰击长空，鱼翔浅底；许许 多多的现象都与流体力学有关。生活中的很多事物都在经意或不经意 中巧妙地掌握和运用了流体力学的原理，让其行动变得更灵活快捷o你发现没有，高尔夫球的表面做成有i叫点的粗糙表面，而不是平 滑光趟的表面，就是利用粗糙度使层流转变为紊流的临界雷诺数减 小，使流动变为紊流，以减小阻力的实际应用例子。最初，高尔夫球 表面是做成光滑的，后来发现表面破损的旧球反而打的更远。原來是 临界re数不同的结果。高尔夫球的直径为41。1毫米，光滑球的临 界re数为3。85xe5,相当的自

2、由來流空气的临界速度为135米/ 秒，实际上由于制造得不可能十分完善，速度要稍微低一些。一般高 尔夫球的速度达不到这么大，因此，空气绕流球的情况属于小于临界 re数的情况，阻力系数cd较大。将球的表面做成粗糙面，促使流动 提早转变为紊流，临界re数降低到e5,相当的临界速度为35米/秒, 一般高尔夫球的速度要大于这个速度。因此，流动属于大于临界re 数的情况，阻力系数cd较小，球打得更远。乒乓球运动时分离则属 于层流分离。同样在游泳的时候，也受到流体的作用。游泳是在水中进行的周 期性运动。人在水中的漂浮能力与身体所持姿势直接相关。身体保持 流线型（吸足气），使重心与水的浮心接近一条直线，就能漂

3、浮较长 时间；如果先吸足气，双臂却紧贴体侧，胸腔虽充足气，但下肢相对 上身比重较人，下肢很快就会下沉。因此，游泳不但要充分利用水的 浮力，而且要尽量减少失去浮力的时间，如头不要抬得太高，身体不 能起伏转动太大，空中移臂时间宜短等。游泳者游进时受到相反方向的阻力作用。游泳得阻力包括水的摩 擦阻力、波浪阻力和物体得形状阻力。设流线型物体的阻力为1,那 么其他形状物体的阻力就人几倍至100倍。推进力是指做臂划水或腿 打水（蹬夹水）动作吋给水一个作用力，水就给人体一个力量大小相 等的反作用力，这个力就叫推进力。游泳就是靠臂绕肩关节和腿绕靓 关节，以复杂的弧线做圆周运动。根据圆周运动的有关原理，角速度

4、相等时，半径越长线速度越大。所以，游泳运动过程屮，距肩和覩最 远的手和脚的速度最人。臂划水的作用面是手掌和前臂，腿打、踢水的作用面主要是脚面和小腿前侧；腿蹬夹水的主要作用面则是脚和小 腿内侧。增加这些部位对水的横切面（如佩带跌具等），就能产生更 大的推进力。在我们身边来来往往飞驰的汽车，更是与流体力学的巧妙结合。汽车发明于19世纪末，当时人们认为汽车的阻力主要来自前部对空气的撞击，因此早期的汽车后部是陡峭的，称为箱型车，阻力系数(cd)很大，约为0.8。实际上汽车阻力主要来自后部形成的尾流， 称为形状阻力。20世纪30年代起，人们开始运用流体力学原理改进汽车尾部 形状，出现甲壳虫型，阻力系数降

5、至0.6。20世纪50-60年代改进 为船型，阻力系数为0.45o 80年代经过风洞实验系统研究后，又改 进为鱼型，阻力系数为0.3,以后进一步改进为楔型，阻力系数为0.2。 90年代后，科研人员研制开发的未来型汽车，阻力系数仅为0.137o 可以说汽车的发展历程就是代表了流体力学不断完善的过程。以卡车为例，影响和提升汽车的动力特性的装置主要的是它的导 流罩。研究表明，在厢式货乍上安装导流罩，可以大幅度的降低气动 阻力、节省燃料消耗。安装导流罩使得气动阻力系数曲线上的临界雷 诺数增大:设置薄壁式的导流罩底边和驾驶室顶面之间的间隙，可以 增强导流罩的减阻效果。在厢式货不尾部安装涡流稳定器，可以降

6、低 尾涡区内气流能量的消耗，使静压回升，压差阻力减小。前上部导流罩装在驾驶室顶上，能将迎面气流导向车顶和侧围， 消除或向高出驾驶室顶部以及驾驶室与货箱之间空间的影响。他有三 种形式：板罩式，立体式和涡流凹板式，三种形式分别可使气动阻力 降低20%30%, 25%35%, 15%20%,第一种已被大量采用，第二 种用得比较广，第三种使用的有限。前下部导流罩和前侧阻翼板，俩 者均装在保险杠上，下部导流罩使进入车下的导流不与车下部分突出 的构建相互作用，从而可使汽车的气动阻力降低10%15%。车身前 侧导流罩和前侧翼板，这俩种装置都在车身前部分的流线形，可以改 善车身部分的流线形，使汽车的气动阻力分

7、别降低10%15%和5%10%。车身前端面和锥形分流器及驾驶室与车身之间的隔板，这 种装置部分或全部地挡住驾驶室与货厢只见的空隙，以消除侧风的影 响，前者使气动阻力降低5%10%用得相当广；后者使气动阻力降低 10%15%但用得相当少。导流罩对卡车的气动特性有很大的影响。卡车要采用辅助措施使 其有平滑的过渡面，是其表面外形不易产主涡流。最重要的是导流罩 的处理，应由到气流平顺的流过顶盖。厢式货车安装导流罩可使汽乍 表面的流谱发生重要变化，流谱的改变可大幅度的减小气动阻力，对 减阻节能意义重大。飞机为什么能飞？飞机能飞最主要的原因是飞机有一对采用特 殊剖面形状的机翼。机翼的侧剖面是一个上缘向上拱

8、起，下缘基本平直的形状，即人 们通常称流线型。所以气流吹过机翼上下表面而且要同时从机翼前端 到达后端，从上缘经过的气流速度就要比下缘的快（因为上缘弧度大, 弧长较长，就是说距离较远）。按照物理学的伯努利方程：同样是流 过某个表面的流体，速度快的对这个表面产牛的压强要小。因此就得 出机翼上表面大气压强比下表面的要小的结论，这样子就产生了升 力，升力达到一定程度飞机就可以离地而起。按照物理学的伯努利方 程：同样是流过某个表面的流体，速度快的对这个表面产生的压强要 小。因此就得出机翼上表面大气压强比下表面的要小的结论。由此产 生的压力差即为升力与阻力的合力，升力达到一定程度飞机就可以离 地而起，阻力由发动机产生的推力抵消。其具体公式是，（l是飞机升力；c为升力系数，其值与飞机 的迎风角度等许多精细的变量有关，一般在零点几；q是飞机所在 空气密度；v是飞机相对周圉空气的速度；s是机翼的面积。）这个公式只适用于速度相对慢的飞行，就像常见的大小型客机飞 行，但是象战机那种两三马赫的大速度飞行就不适用了，速度太大的 话机翼表面的空气会变得有黏性，要考虑到雷诺数（那时候就另有一 个公式，在此不作讨论）。飞机机翼上表面一旦有冰、雪、霜，会使机翼上