初识空气动力学

空气的物理性质包括温度、压强（也常称压力）、密度（或比重）、音速、粘性和压缩性等方面。前四项大家比较熟悉，这里只介绍后两项。

粘性是空气自身或与接触物体发生相对运动时相互黏滞或牵扯的特性。把手浸入水中，抽出时会有水珠黏附在手上，这表明水有粘性；把手浸入甘油或蜂蜜中间，附着的就更多，这表明它们的粘性比水大得多。空气的粘性很小，平时不易觉察。

（被苹果砸中的科学家—牛顿）

关于粘性力的大小，物理学家牛顿（Isaac Newton）通过总结大量实验结果得出：粘性摩擦力F 与流体的物理特性有关，与两层流体的速度差、接触面积成正比，与层间距离成反比（图11-3），即：

式中：F 为流体间的粘性摩擦力；τ表示单位面积上的摩擦力，即应力；𝜇是比例常数，与流体种类及环境有关，称为动力粘性系数，单位为Pa ∙ s；∆𝑉为两层流体流动速度差；∆𝑦为两层流体距离；𝑆为流体层面积。

压缩性是指在压强（压力）作用或温度改变的情况下，空气改变自身密度和体积的一种特性。

在不受外力的状态下，气体分子呈自由运动状态（称自由或平衡状态），运动方向不一，彼此间时不时会出现碰撞。一旦受到外载荷作用，空气分子运动就会呈现方向性，形成气流。气流流动过程中受到各种外部力量的影响，压力与流速特性也会发生变化。那么，气流流速和压力会怎样变化呢？

我们可以通过实验来观察一下：拿一张A4纸，紧贴下嘴唇的上沿，纸会在重力的作用下自然下垂；然后，猛吹一口气，就会发现下垂的纸会飘起来。为什么呢？针对类似的现象，丹尼尔·伯努利 （Nicolaus Bernoulli）通过无数次实验后发现：流体速度加快时，流体与物体接触的界面上的压力会减小；反之，流体速度降低时，压力会增加。为纪念这位科学家的贡献，这一发现被称为伯努利效应。根据伯努利效应，当我们吹气的时候，纸上方的空气流速增加，压力降低，与纸下方的空气产生压力差，在这个压力差（升力）的作用下纸就飘了起来。

伯努利效应在交通工具中有广泛的应用，像飞机的机翼、汽车尾翼都是根据这个原理设计的。当飞机以速度V向前滑行时，机翼挤压前方空气，空气流动产生扰流。机翼上部外形凸起，使得上部气流流速大于下部。根据伯努利原理，机翼下表面的压力大于上表面，飞机就是在这个压力差，也即升力的作用下实现了起飞。对于汽车尾翼，它的原理与机翼一样，可以当作一个反向布置的机翼：当汽车行驶时，产生一个向下的压力差，提高车辆高速运行稳定性。

（伯努利效应在飞机和汽车中的应用）

（机翼原理）

回到我们火车上。在高速列车外形设计中，要通过头车鼻锥外形的设计引导空气合理地分流，使列车所受升力接近零，因为过大的升力会使列车稳定性变差，影响行车安全；而负的升力（压力）偏大会增加轮轨磨耗。

（头车分流示意图）

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