流线型的应用

流线型的应用

摘要：流线型在生活的各个方面都有着广泛的应用，本文从流体流过物体时产生的“压差阻力”说起，引出“流线型”构造，进而从物理原理上解释了流线型物体受到阻力小的原因。在此认识的基础上，本文列举了大量的实例，进一步说明流线型设计在生活中的广泛应用。关键词：流线型；压差阻力；应用

一、引言

人类对流线型的认识是从交通工具的设计开始的，人类第一种在流体中行进的交通工具是轮船，在船体的设计以及实践证明中，人类逐渐认识到，如果把船体设计成流线型，那么船体在水中受到的阻力就会会大大的减少，会远远小于非流线型设计的船体。

于是，流线型就这样走入了人类的视野，人类在认识到流线型的优异性能之后，又将其应用大大地推广，在飞机、火车、汽车等交通工具中，随处可见流线型的身影。流线型不仅以其优异的低阻力性能得到设计师们的青睐，而且其优美的造型也很受大众的喜爱。

人类对流线型已经得到了相当程度的认识，不仅在工程设计上得到大量应用，而且还形成了一套流线型的美学理论。可以说，在充分地认识到流线型原理之后，人类正在淋漓尽致地发挥它的作用，生活中已经无处没有流线型的身影。

二、正文

流线型在生活的各个方面都得到了广泛的应用，那么流线型的优异性能中究竟隐藏着什么物理原理呢？为了解释这个问题，我们先来看看物体在流体中受到阻力的情况。

1、物体在流体中运动时受到的阻力

流体有着区别与固体的特殊性质，它有连续性、粘性、可压缩性，并且对于气体来说，它的状态满足方程：p=ρRT（p为压强，ρ为密度，R为常量，T为温度）。

因此，在这些特性的作用下，当物体在流体中运动时，会同时受到来自流体的摩擦

阻力、因压强差产生的压差阻力、诱导阻力以及各种阻力在干扰作用下产生的干扰

阻力等阻力。当物体在流体中运动时，如果不给物体外加驱动力，那么在这些作用

力的共同作用下，物体的运动速度将会逐渐减小趋于零。对于飞机、船舶等需要在

空气中或者水中高速运动的物体，就需要不断提供外力驱动它们的运动。当然，对

于我们人类来说，这个必要的外加驱动力越小越好，这样的话，在同样的能量消耗

下，飞机、船舶的速度会更快；而需要达到一定速度时，驱动力越小，消耗的能量

就越小，这对于拥有有限资源的人类来说无疑是好事。

为了减少物体在流体中运动时的阻力，人类在各方面都进行了不断的尝试，务必要使各种阻力都大大减少，比如采用新型特殊材料使物体的摩擦阻力减小，采用

合理的布局使飞机、轮船的诱导阻力、干扰阻力减小。而为了减小物体的压差阻力，

人们则使多数物体采用“流线型”设计方式，这样能够明显地减少物体的压差阻力，

大大提高物体在流体中的运动速度。

那么，什么是“流线型”呢？流线型是物体压差阻力减少的物理原理是什么呢？

为了回答这两个问题，我们先讨论压差阻力的产生机理，进而讨论物体的形状对物

体受到的压差阻力大小的影响。

首先，我们看看所谓的“压差阻力”是如何产生的。

如下图所示，物体在流体中向左运动，流体相对于物体向右流动，流动方向如箭头所示。当流体从a点流过物体时，由于受到物体前缘部分的阻拦，流速减慢，

根据伯努利定理（流速大的地方压强小，流速小的地方压强大），前端压强升高；

当流体流到物体最高点b 时，速度不断增大，因而压强不断减小。但在b 点之后，流体不断减速，压强不断增加，不断增加的压力阻碍流体向后流动，因此流体的速度下降很快，使流体在物体表面形成的附面层厚度急剧增加。靠近物体尾部的附面层相对起到修改物体外形的作用，因此在物体尾部形成一个低压区。这样，物体前端受高压，末端受低压，在物体前后就形成了一个压强差，该压强差产生的压力作用在物体上，阻碍物体向前运动。我们就把这个由前后压强差形成的阻力称为“压差阻力”。

b

a

大量的实验证实，一方面，压差阻力的大小与物体正对流体的面积有很大关系，面积越大，压差阻力就越大。

另一方面，通过做大量实验，人们发现物体的形状对压差阻力也有很大的影响，当物体的形状不同时，所受的压差阻力能够相差几倍甚至几十倍。我们来分析下图的几种情况：

（1）在图（a ）的情况下，流体流动到平板前

端时受到阻拦，使得前端压强迅速升高，压差阻力

最大，我们将其压差阻力记为1；

（2）图（b ）所示的情况，是在前者的基础上，

在平板的前端加了一个圆锥体，平板前面的高压区

被圆锥体填满了，所以流体可以平滑地流过，压强

不会急剧升高，虽然后面的低压区仍存在，但前后

压强差却大大减小，其压差阻力可以降为原来平板

所受阻力的1/5；

（3）图（c ）所示的情况，是在上一种情况的

基础上，在平板后面再加了一个细长的圆锥体，这

样的话，整个物体后面只出现很少的漩涡，后端的低压区得到了覆盖，此时的压差阻力只有原来平板的1/25！

由此我们看出，物体得形状对它在流体中所受到的压差阻力有很大影响，并且我们看到，图（c ）所示的形状对于减小物体的压差阻力有着明显的效果和优势，接下来，我们着重讨论这种造型的应用。

2、 流线型以及其应用

在讨论流体流过物体时的压差阻力时，我们可以看到，在（c ）中，物体受到的压差阻力最小。我们将类似于图（c ）的物体构型称为流线型。流线型是前圆后尖，表面光滑，略像水滴的物体的一种外部形状，通常表现为平滑而规则的表面，没有大的起伏和尖锐的棱角。流体在流线型物体表面主要表现为层流，这保证了物体受到较小的阻力。对于流体在流线型物体表面的流动，我们也可以理解为周围的流体绕着物体运动。

图（a ） 图（b ）

图（c ）

经过第一部分的讨论我们看到，具有流线型的物体，其受到的压差阻力大大减小，只有普通构型的1/25，因此，它的这种优良的特性也决定了它极高的应用价值。在人类的众多工具中，我们都能够找到流线型的身影。譬如，在常见的交通工具中，我们能看到低速飞机的流线型机头，高速列车的流线型车头，流线型的船体、战舰，具有流线型的美观大方的汽车，流线型的自行车；流线型构造也广泛地应用到了体育运动中，比如流线型的泳衣设计，自行车运动员的流线型的头盔，流线型的橄榄球等等，能很好地帮助运动员取得好成绩；我们还可以看到巡航导弹的流线型弹体，流线型的炮弹和子弹，流线型构造的飞镖等等，它为这些物体、武器的高速飞行提供了保障。

组图：流线型在生活中各方面的应用

A-380的流线型机头流线型汽车高速列车的流线型车头流线型的自行车流线型的作战舰符合流线型设计的泳衣具有流线型的自行车头盔具有流线型的战斧式巡航导弹流线型的运动鞋

具有流线型的橄榄球具有流线型的飞镖飞艇的流线型

在上述的示例中，人们利用流线型是充分发挥了流线型物体在快速流体中压差阻力小的物理原理，尤其在飞机和船舶方面，流线型的应用可以使飞机、轮船的速度大大提高，同时又不需要消耗更多的材料，还能大大节约能量，因此，流线型的