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。

你发现没有，高尔夫球的表面做成有凹点的粗糙表面，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。原来是临界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3.85×E5，相当于自由来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, 相当于临界速度为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大，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。游泳的阻力包括水的摩擦阻力、波浪阻力和物体的形状阻力。设流线型物体的阻力为1，那么其他形状物体的阻力就大几倍甚至100倍。推进力是指做臂划水或腿打水（蹬夹水）动作时给水一个作用力，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髋关节，以复杂的弧线做圆周运动。根据圆周运动的有关原理，角速度相等时，半径越长线速度越大。所以，游泳运动过程中，距肩和髋最远的手和脚的速度最大。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（如佩带蹼具等），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，阻力系数降至0.6。20世纪50－60年代改进为船型，阻力系数为0.45。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0.137。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，在厢式货车上安装导流罩，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。在厢式货车尾部安装涡流稳定器，可以降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生涡流。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车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。

还有一个就是我们常说的飞机为什么要逆风起飞的问题。飞机逆风向起降的原因主要有两个，一是可缩短飞机起飞或着陆的滑跑距离，二是较安全。飞机起飞时，如果有风迎面吹来，在相同速度条件下，其获得的升力就比无风或顺风时大，因而就能较快地离地起飞。迎风降落时，就可以借风的阻力来减小一些飞机的速度，使飞机在着陆后的滑跑距离缩小一些。

机翼的侧剖面是一个上缘向上拱起，下缘基本平直的形状。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，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。根据公式，L＝C l*1/2*ρ*V*V*S。它的意义是：飞机升力是以下五个量的乘积：

1.升力系数C l（那个C表示系数，l是角码），它的值和飞机的迎风角度等许多精细的变量有关，一般在零点几。

2.二分之一就是0.5

3.大气密度ρ （飞机所在环境，可以是高空也可以是低空）

4.飞机相对于周围大气速度的平方V2（没有角码打不出来只能这么表示）

5.机翼面积S

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，其他飞行器（只要有机翼）速度不超过一马赫时基本都可以用，但是像战机那种两三马赫的大速度飞行就不行了，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了。）