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林育智

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中国科普期刊研究会科普项目总监

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速度的形状

2013-06-19 15:04:43
    除了正在绘制空气动力学模型的学霸,大部分普通青年“看到”速度的形状大约是在火影、海贼王之类的日漫里,通常还会伴随着一句“觉悟吧!”的旁白。
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    在人类走出地球大气层之前,大部分的速度事件与空气脱离不了关系,于是有了“风洞”、“风阻系数”、“流体力学”让无数学生欲语还休的存在,搞得喜闻乐见,大快人心。
音障——我们能看见第一个速度的形状
    在大自然适者生存的法则指引下,生物身上大多部位都是经过不断进化,它们必须适应地球的各种环境,它们必须变得更强,跑得更快、跳得更高,于是人类开始利用生物的结构和功能原理来研制机械或各种新技术的科学技术。
    作为一种生长在底面的生物,人类总是不可避免地要仰望星空,不可避免地憧憬狂飙的速度和摆脱地心引力,获得鸟类的飞翔能力不仅是玄幻小说的最爱,同样也是科学家们热衷的课题。
17世纪后期,荷兰物理学家惠更斯首先估算出物体在空气中运动的阻力。
    1726年,牛顿应用力学原理和演绎方法得出:在空气中运动的物体所受的力,正比于物体运动速度的平方和物体的特征面积以及空气的密度。这一工作可以看作是空气动力学经典理论的开始。
    1755年,数学家欧拉得出了描述无粘性流体运动的微分方程,即欧拉方程。这些微分形式的动力学方程在特定条件下可以积分,得出很有实用价值的结果。
    19世纪上半叶,法国的纳维和英国的斯托克斯提出了描述粘性不可压缩流体动量守恒的运动方程,后称为纳维-斯托克斯方程。
    进入20世纪后,随着航空事业的迅速发展,空气动力学便从流体力学中发展出来并形成力学的一个新的分支,美国人藉此踏上了月球。
    进入21世纪之后,依旧是美国人,不过这次他们是把一个爱自拍和卖萌的机器人送上了火星。
    在这个漫长而迅猛的历程中,“音障”的出现,大约是人类第一次用肉眼看到了速度的“形状”:当物体的速度接近音速时,将会逐渐追上自己发出的声波,周边的空气受到声波叠合而呈现非常高压的状态,因此一旦物体穿越音障后,周围压力将会陡降。在比较潮湿的天气,有时陡降的压力所造成的瞬间低温可能会让气温低于它的露点(Dew Point),使得水汽凝结变成微小的水珠,肉眼看来就像是云雾般的状态。但由于这个低压带会随着空气离机身的距离增加而恢复到常压,因此整体看来形状像是一个以物体为中心轴、向四周均匀扩散的圆锥状云团。 
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风阻那些事儿
    普通青年大约都距离音速比较遥远。大家能拥有的速度比较快的物品,大约就是汽车了(家里有私人飞行器的高富帅除外)。至于为什么大家不买老爷车,除了那些家伙太贵之外,油耗太高也能算一个重要因素。
    对于汽车而言,当车速仅为80公里/小时,空气阻力就占到所有阻力之和的50%左右。欧洲NEDC测试显示,在平均速度低于33公里/小时的情况下,风阻系数降低0.01,每百公里只能节约0.04升的燃油;而如果车辆以130公里/小时的高速行驶时,降低0.01的风阻系数却可以节约燃油0.15升/100公里。在更高的速度下,比如汽车从时速300英里提升到400英里,克服空气阻力需要的功率和速度的立方成正比(不过相信大多数人家里的车子不会跑到这个速度)。
    也许下面的数据会更直观一些:卡车的风阻系数为0.8,飞机机翼的风阻系数为0.08,目前风阻系数最低的生物,应该是企鹅——这群萌物的风阻系数仅为0.03。
    至于三体星人的“水滴”……这个还是不要去考虑了。


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