[科普中国]-空气阻力

空气阻力，指空气对运动物体的阻碍力，是运动物体受到空气的弹力而产生的。汽车、船舶、铁路机车等在运行时，由于前面的空气被压缩，两侧表面与空气的摩擦，以及尾部后面的空间成为部分真空，这些作用所引起的阻力。在逆风运行时，还要把风力附加在内。在现实生活中，自由落体也受空气阻力的影响，其速度，接触面积，空气密度等都会影响空气阻力的大小。

空气阻力简介空气阻力是汽车在空气介质中行驶，汽车相对于空气运动时空气作用力在行驶方向形成的分力，空气阻力与汽车速度的平方成正比，车速越快阻力越大。如果空气阻力占汽车行驶阻力的比率很大，则会增加汽车燃油消耗量或严重影响汽车的动力性能。

在一级方程式赛车界中有这么一句话：“谁控制好空气，谁就能赢得比赛”。追求最佳的空气动力是现代一级方程式赛车中最重要的部分之一。在时速达300km以上的赛车世界中，空气在很大程度上决定了赛车的速度。空气动力中，要考虑的要素简而言之有两点。

1、减少空气阻力（drag）；

2、增加把赛车下压的下压力（downforce）。空气阻力越小赛车的速度越能越快，下压力越大赛车在弯道时的速度就越快。空气动力学简单说就是如何取决在某些时候这两个完全相反的力的最佳平衡。实际操作时要与环境因素造成的气流量的压强挂钩。 否则你将区别不出什么是空气动力和空气阻力。

摩擦阻力

指空气粘度在车身表面产生的切向力在行驶方向的分力；该力仅占空气阻力总额的9%，在航空和航天中其作为重点考虑对象，在地面一般车辆中可予以忽略。

降落伞是利用空气阻力，依靠相对于空气运动充气展开的可展式气动力减速器，使人或物从空中安全降落到地面的一种航空工具。主要由柔性织物制成。是空降兵作战和训练、航空航天人员的救生和训练、跳伞运动员进行训练、比赛和表演，空投物资、回收飞行器的设备器材。

在空中运动的物体，受到空气的阻力，在空气中如果速度低于2.5 M（马赫），基本上认为其阻力f与阻力系数k伞的面积S速度成正比 （f=ksv），这时k一般可取为2.937。当其在空气中如果速度高于2.5 M（马赫），由于空气的摩擦， 开始出现气动加热现象。

运动方程通过对空气阻力积分，我们可以得到在空气阻力条件下的加速度，速度和位移方程。

根据空气阻力的公式： 计算。

式中：C为空气阻力系数，该值通常是实验值，和物体的特征面积（迎风面积），物体光滑程度和整体形状有关；ρ为空气密度，正常的干燥空气可取1.293g/l，特殊条件下可以实地监测；S物体迎风面积；V为物体与空气的相对运动速度。由上式可知，正常情况下空气阻力的大小与空气阻力系数及迎风面积成正比，与速度平方成正比。在空气中如果速度达到2.5M（马赫） 附近， 由于空气的摩擦， 开始出现气动加热现象。

假设空气不动，上式中V=物体速度v。

由于空气阻力方向与物体运动方向相反，因此以物体运动速度为正值时，空气阻力方向则为负值。

如此加速度公式 .这是一个以t为自变量的简单微分方程。

分离变量：

两边积分：

解微分方程：

当.时:

得：

类似地可以积分出位移和时间的关系。位移和时间呈自然对数相关。

汽车方面汽车阻力指汽车外表面大气作用的法向压力在行驶方向的分力；根据阻力源的不同，压力阻力又分为：形状阻力、干扰阻力、内循环阻力及诱导阻力。

（1）形状阻力

由车身形状的不同而产生的空气阻力（主要由作用在汽车前、后两面的压力差所至），其占空气阻力总额的58%；

（2）干扰阻力

车身中局部突起部分（如：反光镜、车门把手等）产生的空气阻力，其占空气阻力总额的14%；

（3）内循环阻力

发动机进、排气系统、冷却系、车身通风系统等所需要和产生的空气流流经车体内部所产生的阻力，其占空气阻力总额的12%；

（4）诱导阻力

空气升力在水平方向的投影（主要由作用在车身上、下两面的压力差所至），其占空气阻力总额的7%1；

阻力系数汽车的空气阻力系数是一种车型的重要参数。对新车型设计和车型改装来说，为减少空气阻力系数，以获得良好的汽车动力性和燃料经济性，是汽车设计者的一项重要工作。

汽车在行驶中由于空气阻力的作用，围绕着汽车重心同时产生纵向、侧向和垂直等三个方向的空气动力量，其中纵向空气力量是最大的空气阻力，大约占整体空气阻力的80%以上。空气阻力系数值是由风洞测试得出来的。

由于空气阻力与空气阻力系数成正比关系，现代轿车为了减少空气阻力就必须要考虑降低空气阻力系数。从20世纪50年代到70年代初，轿车的空气阻力系数维持在0.4至0.6之间。70年代能源危机后，各国为了进一步节约能源，降低油耗，都致力于降低空气阻力系数。轿车的空气阻力系数一般在0.28至0.4之间。

试验表明，空气阻力系数每降低10%，燃油节省7%左右。曾有人对两种相同质量、相同尺寸；但具有不同空气阻力系数(分别是0.44和0.25)的轿车进行比较，以每小时88km的时速行驶了100km，燃油消耗后者比前者节约了1.7L。

加装尾翼法汽车在行驶过程中的阻力可分为纵向、侧向和垂直上升3个方面的作用。其中升力是由于气流通过汽车上下面时流速不同而产生压力差造成的，升力会使汽车产生向上浮起的趋势，一方面导致轮胎与地面的接触载荷减小，另一方面导致悬架几何学特性发生变化，所以升力通常导致汽车的操纵稳定性变差。

汽车尾翼的作用，就是在汽车高速行驶时，使空气阻力形成一个向下的压力，尽量抵消升力，从而提高行驶的稳定性。

汽车尾翼形状尺寸是经过设计师精确计算而确定的，不宜过大也不宜过小，不然反而会增加轿车的行车阻力或起不到应有的作用。2

车身形状合理地车身形状对于减小汽车的空气阻力具有重要作用，现代车身空气动力学工程师认为，低空气阻力系数值的轿车车身应遵循下列要点：

车身前部

发动机盖应向前下倾，如下图所示。面与面交接处的棱角应为圆柱状。风窗玻璃应尽可能“躺平”且与车顶圆滑过渡。前支柱应圆滑，侧窗应与车身相平。尽量减少灯、后视镜等凸出物，凸出物的形状应接近流线型。在保险杠下面的前面，应装有合适的扰流板。车轮盖应与轮胎相平。

整车

整个车身应向前倾斜1°~2°，水平投影应为“腰鼓”形，后端稍稍收缩，前端呈半圆形。

汽车后部

最好采用舱背式(hatch back)或直背式(fast back)。应有后扰流板。若用折背式(notch back)，则行李箱盖板至地面距离应高些，长度要短些，后面应有鸭尾式结构，如下图所示。

车身底部

所有零部件应在车身下平面内且较平整，最好有平滑的盖板盖住底部，如下图所示。盖板从车身中部或由后轮以后向上稍稍升高。

发动机冷却进风系统

仔细选择进风口与出风口的位置，应有高效率的冷却水箱、精心设计的内部风道，如下图所示。

对于货车与半挂车，在驾驶室顶部加装导流罩（如下图所示），可以减小空气阻力，改善燃油经济性。

试验在研究车身这类非流线体特性时，空气动力学试验已成为一种标准方法。风洞测试中，可采用整车模型或比例模型进行试验，也可进行道路实车试验。通过模型试验确定设计车辆的空气动力特性，对某些设计环节或部件进行改进，完善设计。

尽管空气动力特性可根据理论方法和计算流体软件来求解相关的流体力学方程来求出，但是，由于车辆外形的复杂性，很难用数值方法计算出与实际情况相符的气动数据。因此在对符合空气动力特性的车身设计中，风洞试验仍十分必要。

风洞试验首先要做出车辆模型，然后安装在风洞的人工流场中，用仪器测量作用在模型上的力和力矩，以及用喷烟或气流染色或贴丝线等办法来观察模型附近流线的变化，如下图所示。

虽然风洞试验的效能已被广泛承认，但因为要模拟轮胎转动，地面运动和发动机进、排气的影响、以及闭塞效应修正和速度修正等都很复杂，因此风洞试验方法也不是没有缺陷的。

应用降落伞利用空气阻力使人或物从空中安全降落到地面的工具。它广泛应用于航空航天人员救生，空降兵作战和训练，跳伞运动，空投物资，回收飞行器和设备等。降落伞按用途分为人用伞和物用伞。人用伞有救生伞、伞兵伞、运动伞和备用伞。物用伞有投物伞、回收伞等。用以缩短飞机着陆滑跑距离的阻力伞，就其工作原理来说，也属于降落伞。

据《史记》记载，舜利用两个斗笠，从着火的仓廪上跳下，安全落地，说明当时已有人懂得利用空气阻力减小物体从空中降落速度的道理。12世纪，中国已有人用两把带柄的伞从高塔“跳伞”成功的记载。14世纪，中国杂技艺人用类似降落伞的装置作 “跳伞”表演。15世纪，意大利著名艺术家达·芬奇曾画了一个角锥形降落伞草图，并作了说明。气球的出现，促进了降落伞的发展。1783年，法国人L.S.勒诺芒研制了带刚性骨架的降落伞。1797年，法国人A.J.加尔纳兰用降落伞从气球上跳伞成功。20世纪初期，欧美一些国家先后发明能折叠在伞包里、可由跳伞员手控打开的降落伞。1912年，美国人A.贝利第一次从飞机上跳伞成功。降落伞最初用于航空气球救生。第一次世界大战期间，大约有800名气球侦察员被救，大战末期用于飞机救生，第二次世界大战中广泛用于空降作战，60年代用于航天员救生和航天器回收。

降落伞一般由引导伞、伞衣、伞绳、背带系统、伞包、开伞设备等组成。引导伞用于拉直伞衣、伞绳，使伞衣张开；伞衣用于产生空气阻力；伞绳连接伞衣和背带系统；背带系统用于承受开伞冲击力；伞包用来包装引导伞、伞衣、伞绳；开伞设备用于封锁和打开伞包。现代降落伞除少数部件用金属部件制成外，大多用强度大、重量轻的化学纤维织物制成。伞衣形状有方形、圆形、导向面形和翼形等。物用伞的伞衣面积，一般为几平方米到90平方米，重型投物伞多用几个伞组合而成。人用伞的伞衣面积通常为40～90平方米，下降速度一般不大于7米/秒，开伞冲击力较小，下降稳定，操纵灵活，大都装自动开伞器。70年代研制成翼型降落伞，伞衣为气囊结构，面积约20平方米，伞衣张开后气囊充满空气，展开呈机翼形状，能产生一定升力，操纵轻便灵活，可获得10米/秒左右的水平运动速度。随着航空航天事业的不断发展，降落伞的使用范围将日益广泛，其性能将朝着更加安全可靠、轻便灵活的方向发展。

减速伞减速伞也叫阻力伞，是用来减小飞机着陆时滑跑速度的伞状工具。通常由主伞、引导伞和伞袋等组成，装在飞机尾部的伞舱内。飞机着陆滑跑中，由飞行员操纵打开伞舱门，引导伞首先张开，将伞袋拉出，打开主伞，伞衣被拉出张开后可增大空气阻力，向后拖拽飞机，使之减速，缩短滑跑距离。

本词条内容贡献者为:

周敏 - 副教授 - 西南大学