从小玩风到现代汽车设计:风阻的科学与应用

来源: 果壳

发布日期: 2016-09-19

本文探讨了从古代到现代,人类如何利用风的力量,从简单的竹蜻蜓到复杂的汽车设计,展示了风阻在不同领域的应用和科学原理。

我们的四周环绕着一团巨大的流体,那就是风。天天跟风打交道,就算不了解流体力学的方程也能比划两下。比如,迎着风骑车时你知道要把身体蜷缩起来,减小受力面积;撑雨伞时你一定设想过用它当降落伞,但并不敢真的从高处往下跳,因为受力面积还不够大。显然,你已经在实践中学会玩风了。

风的阻力不仅仅会产生消极的结果。葛洪在《抱朴子》中记载了一种用栆心木做的飞车,号称能“上升四十里”。这其实是一种竹蜻蜓式的装置。在现代人看来,这种简单的机械当然不可能飞得那么高,但也不失为一种化阻力为升力,化腐朽为神奇的精巧应用。

把我们小时候玩过的竹蜻蜓拆开(暴露年龄向),可以分解成桨翼和转轴两部分。仔细观察,会发现许多桨翼的表面不是水平,而是呈一定夹角倾斜。竹蜻蜓能飞上天,必须感谢这种倾斜的桨翼。当桨翼高速转动的时候,它就会不断向斜下方推开空气,形成一股风。于此同时,风也向桨翼施加了一个向斜上方的反作用力。这个反作用力一方面阻碍桨翼转动,让它逐渐慢下来,一方面又提供了向上的升力,让竹蜻蜓可以在空中飞一阵子。

竹蜻蜓能获得多少升力,除了需要桨翼表面倾斜一定角度之外,还需要它旋转的足够快。一个高速运动的物体的速度翻1倍,它受到的空气阻力就会提高到4倍。化阻力为升力的道理也一样。要想让竹蜻蜓飞出新距离,飞出新高度,飞出小伙伴们的一片欢呼声,你还得使劲儿地揉搓转动轴,让竹蜻蜓转得再快一些。

不论是古代的竹蜻蜓,还是现代的直升机,要想利用空气阻力,都得先注入能量。这种应用虽然称得上机智,但还够不上鸡贼。

对于举重不如熊罴,奔跑不如虎豹,游泳不如鲸豚的人类而言,从风的阻力中汲取能量,借力使力,显然比全靠自己迸发洪荒之力更划算。早在公元前4000年,古埃及的船夫就懂得借助风的力量在尼罗河上航行。公元1世纪时,古希腊数学家希罗发明了一种风轮,能够在风中驱动一架风琴。从外观上看,希罗的风轮和后来的风车、风力发电机很相似。

虽然人人都懂得怎么玩风儿,但风背后的流体力学却是一大世界难题。流体力学之中最著名的纳维-斯托克斯方程发明于19世纪初,结果在2000年的时候克雷数学学院还要悬赏100万美元征集求解它的方法,可见其中之困难。

数学公式帮不上忙的时候,工程师会直接把风请到实验室里来,这就是风洞。工业生产中遇到的实际问题,如在某个巡航速度上,汽车到底会遇到多少风阻,产生多大噪音,消耗多少燃油,丧失多少稳定性,都可以用风洞实验来验证。

一辆汽车行驶在路上,需要把前方的空气不断挤走,让侧面、车顶和车底的空气顺利通过,再让后面的空气及时跟上。因此,减小汽车风阻的办法也就落在了车头、车身和车尾的外观设计上。

我们以东风日产西玛为例!当汽车迎面撞上前方的风时,一部分风会顺着引擎盖流向挡风玻璃,然后顺着挡风玻璃向上抬升,到达车顶。当风流动到挡风玻璃和引擎盖的连接处的凹陷时,会大幅减压,产生乱流,发出一种空气振动声。因此,西玛引擎盖的弧度需要挡风玻璃的倾斜角度相互配合,融为一体,减小风噪的产生。

如果你从上方俯视西玛的车身,会发现它的车头和车尾微微向内收敛,跟圆润的车身形成两头窄中间宽的流线型外观。这样的形状能够尽可能地模拟水滴的形状,减少行驶中的风阻。

当风从车顶流动到车尾时,如果遇到急剧下降的车背线条,则又会发生大幅减压,产生风噪,影响后排的乘坐体验。因此,东风日产西玛采用了从车顶连续下降至车尾的溜背式造型设计,让风顺畅地流到车尾,减少乱流,并能够产生向下的压力,有助于让汽车在高速行驶时保持稳定。

一辆高速运动的汽车的速度翻1倍,它受到的空气阻力就会提高到4倍,而它为了克服阻力而消耗的能量就要提高到8倍。因此,通过外观设计降低风阻尤为重要。除了车身的空气动力学优化,底盘也在影响整车的空气动力性能,Maxima底盘的寻流板可以引导底部气流,为车尾带来足够的下压力。

工程师们在一次次的风洞实验中积累经验,不断改进,使如今车辆的风阻系数越来越小,以Maxima为例,其风阻系数仅为0.29,更小的风阻系数带来了更低的风噪、更好的操控、更经济的油耗、以及更为流畅的外形设计,这样的低风阻设计也贯穿在蓝鸟(0.28)、楼兰(0.31,全球SUV最低风阻系数)等车型,让你在玩风的路上拥有一种全新的体验。

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