阻力对物体的影响大于动力物体是处于静止还是运动?

汽车能行驶靠的是轮胎与路面嘚摩擦力,而行驶过程中路面摩擦又会对汽车产生阻力对物体的影响,这两点都是毋庸置疑的事实但逻辑看起来却是互相矛盾的,具體到底是怎么回事呢

又是一个很多年之前的事情,大概是高二我问当时的物理老师:

“轮胎受到的摩擦力作为动力,跟运动方向相同题目中为什么又说车辆受到摩擦阻力对物体的影响,那摩擦力到底是动力还是阻力对物体的影响”

虽然我物理老师才华横溢,也不能清楚地解释:

“这个阻力对物体的影响是一种综合作用比如车辆内部机械装置之间的摩擦力......”

经常看轮胎问题的老铁都知道,我是一个囍欢刨根问底的人这种笼统的回答显然无法令人满意。所以这个问题就一直埋在我脑海里高中经常失眠,就会想想这个问题持续了┅段时间没有任何结果,转眼高三来了就不再想了。

今天看到这个问题回想我这一路走过的历程:大一学材料科学,大三转车辆工程毕业去搞轮胎,是否都与之有关呢

就像乔布斯说的:“不可能从现在这个点上看到将来;只有回头看时,才会发现它们之间的关系”

这么多年没做过受力分析了,感觉很陌生(从这儿开始的所有分析都不包括滚动阻力对物体的影响、重力、地面支反力)

如上图,取輪胎作为分析对象

虽然轮胎与地面接触在这张图上为一条线,这里可以简化为一个点O并不影响问题分析的结果。M为车轴给轮胎的力矩使得轮胎相对地面有向右运动的趋势,假设轮胎不打滑的情况下地面则给与轮胎O点一个向左的力F=M/r。

接下来我们把F平移至轴心F1=F根据力嘚平移定理,力在平移时需要一个附加力矩M1=Fxr=M这样轮胎可以不受转矩的作用匀速转动,而车轴就受到了一个向左的力车子就可以向左走叻(不会一直加速的,因为有滚阻和空气阻力对物体的影响的存在这里不讲是为了简化)。

再次备注:以上分析忽略了重力、地面支反仂、滚动阻力对物体的影响

从动轮的车轴不传递转矩给轮胎,而是给轮胎中心一个向前的力F这时轮胎上O点有向左运动的趋势,地面给O點一个向右的力F1这时F1不一定等于F。

将F1平移至轮胎中心力平移需要附加力矩M1=F1 x R,轮胎就可以在车轴的牵引下向前滚动了这些力和力矩都昰不平衡的,在加速过程中会有滚动阻力对物体的影响、空气阻力对物体的影响等与之平衡,达到平衡态

地面对轮胎的摩擦力确实阻礙了轮胎上O点向右的运动趋势,却推动了车

辆向左运动最大程度避免能量耗损在摩擦上面。所以这就是为什么“轮”这个加点在人类技能树上这么重要

原来是费力拖拽地上的重物,能量全都耗散在摩擦上面现在则相当于重物漂浮在半空中,人类从此只需解决减小引入“轮”之后较小的滚阻问题大大增加了能量的利用效率。

“也许除了轮子的发明,没有任何其他发明的影响可与文字的出现相提并论”《文字的力量》

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阻力对物体的影响(又称后曳力流体阻力对物体的影响)是物体在流体中相对运动所产生与运动方向相反的力 对于一个在流体中移动的物体,阻力对物体的影响为周圍流体对物体施力在移动方向的反方向上分量的总和。而施力和移动方向垂直的分量一般则视为升力因此阻力对物体的影响和物体移動方向恰好相反,像飞机前进时会产生推力来克服阻力对物体的影响的影响

在航天动力学中,大气阻力对物体的影响可以视为太空飞行器在发射时的低效率其影响则是在发射时需要额外的能量,不过在返回轨道时大气阻力对物体的影响有助于太空飞行器减速可减少减速额外需要的能量,不过大气阻力对物体的影响产生的热量甚至可以将物体熔化

    • 2.1 自由落体的速度
  • 3 雷诺数很低时的阻力对物体的影响
  • 4 空气動力学中的阻力对物体的影响
    • 4.3 飞行时的功率曲线
    • 4.4 跨音速及超音速的波动阻力对物体的影响

阻力对物体的影响一般可以分为以下几类:

对于高速(或高雷诺数)的流场而言,一物体的阻力对物体的影响的特性可以用一个无因次的阻力对物体的影响系数来描述配合阻力对物体嘚影响系数,可以用阻力对物体的影响方程式来计算阻力对物体的影响若阻力对物体的影响系数为一常数,阻力对物体的影响约和相对速度的平方成正比因此需克服阻力对物体的影响需要的功率则和速度的立方成正比。

阻力对物体的影响方程式可计算物体在较高速(雷諾数Re > ~1000)流体下的阻力对物体的影响此阻力对物体的影响也称为二次阻力对物体的影响或平方阻力对物体的影响。此方程式是由瑞利勋爵所提出提出时用L2L代表某特定长度)代替A,物体所受的流体阻力对物体的影响如下:

为流体相对于物体的速度
为阻力对物体的影响系数为一无因次的参数,像汽车的阻力对物体的影响系数约为0.25至0.45

参考面积A一般定义为物体在运动方向上的正交投影面积对于形状简单的物體(例如球),参考面即为截面有时会使用其他的参考面积来定义一物体的阻力对物体的影响系数,此时需特别标明使用的参考面

以機翼而言,若阻力对物体的影响及升力使用的参考面积相同阻力对物体的影响及升力的比值(升阻比)即为阻力对物体的影响系数及升仂系数的比值,在比较阻力对物体的影响及升力的大小时最为方便[2]因此机翼阻力对物体的影响系数的参考面积一般会是机翼的翼面积(即机翼沿垂直方向的投影面积),而不是沿飞行方向的投影面积[3]

若物体有光滑的表面,在流场中没有固定的分离点(例如球或圆柱)其阻力对物体的影响系数会随着雷诺数Re而变化,甚至在雷诺数很高(其量级到107)时也是如此[4][5]若物体有在流场中有固定的分离点(例如一法向量和流场方向平行的圆盘),在雷诺数Re > 3,500时阻力对物体的影响系数不随雷诺数而变化[5]。若物体不是球对称阻力对物体的影响系数也昰流场和物体本身对称轴夹角的函数。

一物体在在时间t = 0时的初速v = 0在非浓稠的介质落下(因此不考虑介质的浮力),其速度可以用以下的雙曲函数表示:

t很大时双曲正切函数tanh其函数极限值为1,因此上述的速度有一渐近值称为终端速度vt

对于形状接近球形、平均半径为d、密度为ρobj的物体,终端速度约为

若物体的密度接近水(如雨滴、冰雹、鸟、昆虫等)差不多在接近海平面的地表落下,终端速度约为

vt 為速度单位为m/s。

m/s体型接近猫的动物(

非常小的物体(例如花粉)在低雷诺数流体中的终端速度可以用斯托克斯定律来描述。

较大的生粅其终端速度较高因此从高处落下时致命的可能性也较高。例如老鼠和人分别以各自的终端速度坠落时老鼠其存活的可能性会比人高佷多。若蚱蜢以其终端速度坠落时可能甚至不会受伤。生物大小和其终端速度的关系以及其肢体截面积和身体质量间的比例关系(一般称为平方立方定律)可用来说明为何有些小动物从高处落下时不会受伤[6]

三个由相同角度(70°)射出物体的轨迹。黑色物体未受到任何阻力对物体的影响,其轨迹为抛物线,蓝色物体受到斯托克斯阻力对物体的影响,而绿色物体受到牛顿阻力对物体的影响。

当物体在雷诺數很低没有紊流(雷诺数 )的流体中[7]移动时,其受到的阻力对物体的影响称为黏滞阻力对物体的影响、线性阻力对物体的影响此情形丅,阻力对物体的影响大约和速度成正比但和速度方向相反。黏滞阻力对物体的影响的方程式如下:[8]

为一常数和流体特性及物体尺寸囿关
为物体和流体的相对速度

若一物体由静止状态落下,其速度为

0

0 为定值较重的物体会较快落下。

对于小的球形物体缓慢的通过黏性流體(因此雷诺数很小)的情形斯托克斯推导其阻力对物体的影响常数如下

微米(直径=1.0 ?m)的球形物体以10 ?m/s的速度通过水中。依上式可得其阻力对物体的影响为0.09 pN这也就是细菌游过水中所受到的阻力对物体的影响。

飞行中飞机所受到的空气阻力对物体的影响分成四大类。汾别是摩擦阻力对物体的影响、压差阻力对物体的影响、寄生阻力对物体的影响及诱导阻力对物体的影响

其中摩擦阻力对物体的影响、壓差阻力对物体的影响、寄生阻力对物体的影响与速度的平方成正比,诱导阻力对物体的影响则与速度的平方成反比飞行阻力对物体的影响是这四种阻力对物体的影响的合成。

诱导阻力对物体的影响(或称感应阻力对物体的影响)是指飞行体在产生升力时一并衍生的阻仂对物体的影响。诱导阻力对物体的影响包括二个主要组成成分一个是因为涡流而产生的阻力对物体的影响(涡流阻力对物体的影响),另一个则是额外产生的黏滞阻力对物体的影响在飞行体通过空气时,其上表面及下表面的气流压强不同但在飞行体尾端,上方及下方不同压强的气流会混合产生紊流及涡流[9]

在其他参数不变的条件下当飞行体产生的升力增加时,其诱导阻力对物体的影响也随之增加对飞行中的飞机而言,这表示在飞机失速前当其攻角及升力系数增加时,其诱导阻力对物体的影响也随之增加当失速时,升力及誘导阻力对物体的影响都突然下降而此时飞行体表面形成独立的紊流,造成寄生阻力对物体的影响中的黏滞压差阻力对物体的影响上升

寄生阻力对物体的影响是一物体在一不可压缩流体中移动所受到的阻力对物体的影响寄生阻力对物体的影响中包括由秥滞力产生压强差嘚阻力对物体的影响(形状阻力对物体的影响)以及因表面粗糙度产生的阻力对物体的影响(表面摩擦阻力对物体的影响)。若物体附近囿其他相邻近的物体会产生干扰阻力对物体的影响,有时也会视为寄生阻力对物体的影响的一部分

在低速飞行时,由于维持升力需要嘚功率较大飞机的攻角较大,其产生的诱导阻力对物体的影响也较大不过当速度提高时诱导阻力对物体的影响随之下降,而流体相对粅体的速度提高因此寄生阻力对物体的影响会变大。若速度已到达穿音速波动阻力对物体的影响也随之出现。其中速度提高时诱导阻力对物体的影响下降,其他阻力对物体的影响却随之上升因此总阻力对物体的影响会在某一速度时出现最小值,若飞机以此速度航行其效率会等于或接近其最佳效率。飞行员会以此速度来使续航力最大化(使油耗最小化)或是在引撃故障时可以使滑翔距离最大化。

鈳以将寄生阻力对物体的影响及诱导阻力对物体的影响相对速度的特性曲线绘制在同一图上此图在航空学中称为功率曲线。功率曲线可鉯让飞行员了解不同速度下飞机飞行所需要输出的功率,是非常重要的曲线

功率曲线中寄生阻力对物体的影响及诱导阻力对物体的影響有一交点,交点处的阻力对物体的影响总和最小交点的右侧为正常控制区,当速度越高时维持定速需要的推力越大。交点的左侧为反向控制区此区域的功率特性恰好与一般直觉的认知相反:当速度越低时,维持定速需要的推力越大夂当速度越高时,维持定速需要嘚推力越大若飞机的速度低于此交点对应的速度,会出现一个不符合人类直觉的特性:当速度越低时维持定速需要的推力越大。

跨音速及超音速的波动阻力对物体的影响

波动阻力对物体的影响(压缩性阻力对物体的影响)是指一高速物体通过可压缩流体时所出现的阻力對物体的影响在空气动力学中,依飞行速度的不同波动阻力对物体的影响也可分为几种不同的组成成分。

在跨音速飞行(马赫数介于0.8忣1.4之间)时波动阻力对物体的影响是飞行体形成激波后的结果。一般会出现在出现局部超音速流(局部流体马赫数大于1.0)的区域实务仩,当飞行体较音速低很多但加速时部分区域的空气速度超过音速,就会出现局部超音速流因此飞机附近的气流既有超音速流,也有低于音速的亚音速飞机在跨音速飞行的正常运作过程中常会产生波动阻力对物体的影响,这种波动阻力对物体的影响常称为跨音速压缩性阻力对物体的影响当马赫数接近1时,跨音速压缩性阻力对物体的影响会显著的上升远大于同速度下的其他阻力对物体的影响。

在超喑速飞行(马赫数大于1.0)时会在飞行体的前缘及后缘出现斜激波。若速度非常高或是飞行体转弯角度够大时,则会出现舷波(bow wave)在超音速飞行时,阻力对物体的影响一般可以分为二个成分:超音速升力相关的波动阻力对物体的影响及超音速体积相关的波动阻力对物體的影响。

布斯曼双翼机是一种特殊型式的飞行体当依其设计速度航行时,完全不产生波动阻力对物体的影响不过它本身无法产生升仂。

位流理论是18世纪最能解释非黏性流的理论但1752年时法国物理学家达朗伯特依位流理论,推导到位流下其阻力对物体的影响为零的结果此结果和实测结果矛盾,因此称为达朗伯特悖论

19世纪时科学家圣维南、纳维、斯托克斯开始用纳维-斯托克斯方程来分析黏性流。斯託克斯推导了一球形物体在雷诺数很低的流体中的阻力对物体的影响其结果即为斯托克斯定律[10]

纳维-斯托克斯方程在高雷诺数时会趋菦非黏性流的欧拉方程式此时可以用位流理论进行分析,得到阻力对物体的影响为零的结果但所有在高雷诺数下进行的实验,均证实阻力对物体的影响的存在和位流所得的结果矛盾。科学家也试着找出除了位流以外欧拉方程在非黏性定常流的解,不过没有什么进展[10]

1904年德国科学家普朗特依理论及实验的结果,提出了边界层的概念也说明了高雷诺数流体为何会产生阻力对物体的影响[10]

  1. ^ 若在地球大气層中空气密度可以用压高公式计算。在0°C一大气压条件下密度为1.293

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