科普 | 细数身边的“空气动力学”
科普 | 细数身边的“空气动力学”
空气动力学是研究空气与物体相互作用的科学，它不仅关乎飞机、汽车等交通工具的设计，更与我们日常生活中的许多现象息息相关。从蒲公英的飘散到高尔夫球的飞行轨迹，从自行车赛车手的骑行姿势到自然界中各种流线型的形成，空气动力学无处不在。本文将通过几个生动的例子，带你走进这个既神秘又迷人的科学领域。
绚丽多彩与刚柔并济的空气
抬头看天空，除了云彩和星星以及偶尔出现的流星与幽闪，似乎什么都没有。其实，地球周围充满了空气。空气有时也安静，地球引力不让它们飘往太空，阳光照射让它们拥有温度与气压，海洋蒸发让它们拥有水分。温度、气压和水分既让空气有生气，也让空气有情绪：风雨雷电，冷暖无常。空气的运动既可以让天空彩云朵朵，让红旗飘飘，也可以让昆虫、飞鸟和人造飞机空中飞翔。
我们生活在空气之中。空气中有小得看不见、多得数不清的空气分子。空气非常爱美，只有顺从它的形状和姿态，它才可以给你让道，甚至把你举起来，可以让你穿梭自如、风驰电掣。蒲公英了解空气的秉性，所以它举起华丽的冠毛伞，于是南风就成了它的游乐场；大雨滴在空气中穿梭，也会知趣地变成伞盖状，空气帮它减速徐徐下落，从而不会砸伤小蜜蜂遭遇官司；小鸟和昆虫选择了精美的翅膀，空气气流帮助它们自由飞翔；飞机模仿了鸟，插上一对形体优美的机翼，空气便友好地在机翼上表演上吸下举的绝技，让飞机轻巧地在空中远航；空气让急速降落的流星带着一团火球、让旋转的足球走弧线、让美丽的雪花轻轻飘落。
于是，高速列车、现代汽车和飞机乖乖披上了流线型外衣。
然而，如果你不修边幅，长得像随便捡来的小石头一样，你将遭遇重重险阻。
不修边幅的飞石
谁都知道，抛向空中的石头，在重力的作用下会加速下落。可是，除了重力，别忽略和小看那些看不见的空气分子。空气可不是那么好对付的，分子很小，可是它们多啊。它会挡在前面，得推开它；它又在后面尾随，又得拖着它；它试图阻止小石头飞得更快、飞得更远。
因为不修边幅的小石头还不了解空气爱美的属性，所以遇到的阻力会更大。
以一块各个方向尺寸都差不多的小石头为例。
小石头在空气中飞行，迎风面撞击空气分子，空气同样给了石头迎风面的力，即石头的迎风面有了正压。迎风面的反面是背风面，背风面的空气被石头拖着走，被拖动的空气也就有了一个拉扯石头的力，即石头的背风面出现负压。背风面的负压也可以这样理解，背风面的空气显然是被石头吸着走，只有负压才能被吸着走。你用一根管子对着水吸气，水就流进嘴里，表明吸气时，气压低了，水就顺着低气压进嘴里了。
当然，如果小石头沿着飞行方向比较细长，那么被推动的空气可以从侧面绕道背风面去帮忙。这里不考虑这种纤细的形状。从侧面绕到后面的空气的太少，不起太大作用。背风面起作用的主要是被拖动的空气。背风面的空气又没长手去拉着石头，怎么会被拖着走？原来，如果不被拖着走，石头背风面就会试图被留下真空。所谓真空，就是真的很空，空的几乎什么都没有。由于空气分子有活蹦乱跳的热运动，会去填满任何空隙，因此不会留下真空。
石头在空中飞行时，迎风面的正压和背风面的负压，均指向飞行反方向，合起来就是一种阻力，成为压阻；侧面与空气分子也会发生摩擦，因此产生了摩阻。这种压阻和摩阻一起，形成总的阻力，指向飞行方向相反的方向，会将飞行的石头速度降下来。
小石头在空气中飞行
石头的飞行速度越大，与空气相互撞击的力度就越大，因此阻力越大。这样形成的阻力，与飞行速度的平方近似成正比，也当然与空气的密度以及迎风面的面积成正比，这是因为空气越稠密以及迎风面积越大，参与作用的空气就越多。
比例系数也称为风阻系数或阻力系数。
阻力系数与形状、姿态和速度都有点关系。物体越美丽光顺，越娇小纤细，阻力系数越小。凸头凸脑的小石头，阻力系数接近1。扁平石头阻力系数就小多了。
科学本身就是一种艺术，不知是否可以说，阻力系数就是美丽指数呢？
远走高飞的高尔夫球
前文提到，具有流线型的物体和动物利用美丽的外观取悦空气，从而顺畅地在空气中穿梭。流线型外形细长或扁平、表面形状光顺过渡、带有一定的弧度且表面没有坑坑洼洼。但是一定要注意，如果没有体型，仅有亮洁的皮肤也不一定行。
高尔夫球就不是流线型，所以它的外表越光滑空气就越添堵，于是它干脆让皮肤粗糙，把气流磕得乱蹿，这种乱蹿的气流反而帮忙消灭添堵的拐弯涡，使高尔夫球飞得更高更远。
这可能预示某种道理，顺着来如果不行，那就反着来试试。
当然，咱们不能用吓唬人的思维讲道理。既然高尔夫球用粗糙的空气死磕空气并且取得了胜利，那么其中一定有理性的原因。
正如苏格拉底的因果定律所说，每一个结果都有特定的原因或者多个原因。
重量不能大于45.93克、直径不能小于42.687毫米的高尔夫球，有酒窝型凹坑时，可以飞得更远、更稳。这是偶尔发现的奥秘，事先并不知道为什么。
一百多年前，英国工程师韦林•泰勒意外的发现：用过的高尔夫球的表面会出现不规则的破损，且这些旧的高尔夫球比表面光顺的新球飞得更远，基于此，他设计出了飞得更远的带酒窝凹槽的高尔夫球。带了酒窝，就更偏离流线型了，摩擦阻力应该更大，为何反而飞得更远了呢？
原来，对于非流线型物体，从迎风面避让绕到背风面的气流，需要拐的弯就太大或者太急。在拐弯太急的地方会在某点甩出去，这种现象在专业上称为气流分离。分离使从迎风面绕到背风面的空气就少了，因此主要是背风面下游的空气被物体拖着走，需要的力就大，因此阻力更大了。分离出去的气流与背风面被拖进来的气流方向相反，因此卷曲成旋涡，成为拐弯涡（专业上叫分离涡）。
流线型与非流线型的气流与阻力
高尔夫球就是一种非流线型球体，很容易提早产生拐弯涡，产生很大的压阻。如果带有凹槽，就很容易把气流磕乱，形成所谓的湍流，让气团找不到方向。
这样来考虑，行走方向乱的幼儿，更容易钻到别人家的房间。被打乱的气流无规则地到处乱跑，很容易钻进分离留下的空隙，使一旦有分离就可能被打乱的气流填进去。因此，拐弯涡就不容易过早发生。于是本来比摩阻大得多的压阻降低了，飞得更远了。
光滑球与高尔夫球
高尔夫球的凹槽显然不是随意刻的，只有满足一定的规律才有效，而六角形的凹槽最有效。
为何是六角形最有效？
想一想六角形的雪花，大自然果然是最好的老师。
分秒必争的自行车赛车手
专业的自行车赛车手想的最多的问题就是，能否减少骑车过程的阻力，让车手消耗更少的体力，从而取得更好的成绩。
自行车在行进过程中，除了地面摩擦力作用和测歪时重力作用，还有风阻。自行车与人体作为整体去感受风阻，与石头飞行产生阻力的道理一样，自行车行进的风阻与形状、迎风面积以及表面材质有关。
为了减小迎风面积，赛车手会俯下身躯，其行车速度至少比常人直身骑车快一倍。如果套一个流线型外罩（如细长纺锤体），那么风阻会大幅度降低。
让自行车减小阻力提高速度的技巧
一般情况下，风阻可占据骑车总阻力的65%85%，风阻以外的其他阻力是地面摩擦阻力。自行车本身的风阻占风阻25%左右（进一步分，车轮占了5%9%，支架4%9%，罩6%9%，其他2%~4%，合起来25%左右），而人体风阻占其余75%左右。
通过俯身可以减小人体的迎风面积，从而减小阻力。车体阻力受表面特性、迎风面积以及形状影响。虽然车体只占风阻的25%，但对于分秒必争的赛车手，减小车体风阻也是必要的。
进一步，如果在大风中骑车，尤其有侧风的情况，那么骑车就困难。侧风产生侧向风阻，容易使车侧翻。如果侧风方向与人的正面有一个夹角，那么就有了迎角效应，有可能产生较大的与侧风方向垂直的力。为了减小这种侧风作用，可以适当扭转身体，使侧风方向与身体的正面尽量平行，这样就可以减小风阻作用。了解这些后人人都可能是自行车高手，可以像杂技选手一样面对各种情况。
上一段提到了迎角效应，那么也简单的聊一聊。
迎角效应准确来讲，是迎角的升力效应。
还是以一块飞行的扁平石片来说明，石片飞行时，如果仅有迎风面的正压和背风面的负压，那么正压和负压的合力就垂直于石片，而不是垂直于飞行方向。然而，实际上这种气压差带来的合力近似垂直于飞行方向，是与重力方向相反的升力。
原来，飞行的石片迎面撞击空气时，前方被推动的空气有一部分绕过前缘到了背风面。绕过去时要拐很大的弯，从而感受到较大的指离前缘的离心力。这个离心力抵消了一部分当地气压，因此给前缘施加负压，产生吸力。前缘吸力指离前缘，与迎风面的正压以及背风面的负压形成的合力，令人不可思议的近似地垂直于飞行方向，即这种合力就是升力。
迎角产生升力和抬头力矩
如果仰角适合，那么石片受到的阻力（指与飞行方向相反的力）主要只有摩擦阻力。上面的气压差主要贡献升力。
这就是仰角产生升力的本质原因。适当的仰角能产生升力，但迎角太大则物极必反。最糟糕的情况就是横着飞，即迎风面与飞行方向垂直，这时就只有阻力没有升力了。
于是必然有一个最佳迎角，使升力最大。
鸟翅膀的最佳仰角一般在12度左右，一般飞机机翼的仰角也接近这个值。
风中转掌知升力
为了让升力不再陌生，那么就来一次与升力的亲密接触吧。
设想你坐在行驶的汽车副驾座位上，在确保安全的前提下，将右手伸出右侧窗外。首先将手掌放平，那么你顶多会感觉到风给手掌向后推的力，且只有车速足够快时，才会明显有这种感觉。
现在你将右手手掌顺时针转一个小的角度，即让手掌有点迎角。如果车速较小，或者迎角较小，那么不会有奇迹发送。现在让车速快点儿，比如每小时70千米。将五指并拢，手掌尽量展平，接着将手掌迎角慢慢增大。会出现一个仰角，可能在30度左右，你的手突然会被举起来。
就是说，手掌获得了向上的升力，至于迎角多大会把手掌抬起来，还与手掌的大小、车速以及手型有关。
当然，一定要注意安全，一定要慢慢增大迎角，别因为你手掌的形状太利于产生升力，以致突然产生很大升力，抬起速度太快而磕在车窗框上。
同时，你可以调节手型和迎角，使升力足够大，再感觉一下手心、手背以及正对着前方的拇指会感受到什么。
有些地方气压高了（比如说拇指靠掌心的部位）、有些地方气压低了（手背拱起的地方）。尤其是作为前缘的拇指上侧，那里的负压很大。
手在风中产生升力
结语
经过大风吹拂的山丘、经过雨水洗刷的山坡、经过流水冲刷的内河岸，形状都是某种形式的流线型。山形地貌有了这种形状，气流或水流就能顺利的流过，否则就会施加较大的作用，试图削平那些凹凹凸凸的部位。深海中外形巨大的鲸鱼，在海水中能以每小时数十千米的速度游动，很大程度上也得益于它所拥有的流线型外形。
原来，自然万物也都懂得一点圆滑的道理。
于是，人类有了灵感，那些需要高速行进的汽车、飞机、列车等都被设计成了流线型。这种人造外形，与自然界经受气流或水流冲击形成的山形地貌或优胜劣汰进化出来的动物外型，具有异曲同工之妙。
就这样，空气动力学就与自然万物联系起来了。
空气动力学也因此变得更加的生动和迷人。
本文内容节选自吴子牛教授《运动的旋律与变化的世界》一书。
作者简介
吴子牛教授
现任清华大学教授、博士生导师，专业为空气动力学。
1985年获得北京航空学院空气动力学学士学位。1988年获得法国ECP传热与燃烧深入研究文凭。1992年获得居里大学力学博士学位。1994年回国任教，先后在北京航空航天大学和清华大学担任副教授、教授、博士生导师。曾获得国家杰出青年基金、中国青年科技奖和长江学者等称号。担任过总装863专家、总参高分论证专家、一带一路考察团专家。担任过Computer&Fluids和CFD Journal地区编辑，现担任CJA副主编。曾作为秘书长组织过近10次国际国内学术会议，包括第四届亚洲计算流体力学会议和海峡两岸交流会议。目前为航空学报英文版(SCI一区期刊)副主编。担任航空学报高超专辑(2015年1月)特邀主编。现担任清华大学校学位评定委员会委员，以及力学、航空宇航科学与技术学位主席。
长期从事空气动力学教学与人才培养、学术研究和相关工程问题计算分析与软件开发；给雪铁龙标致集团开发过汽车进排气系统压力脉动软件、开发过电喷雾化三维流场模拟程序；用理论得到了汽车雾化液滴碰撞公式，被法国CNRES科学家用实验验证；对各领域问题中的旋涡等结构的影响进行了深入研究，在流体力学最顶级的国际刊物Journal of Fluid Mechanics发表的论文达到13篇，其他论文近100篇；给相关行业开发了十余套工程分析软件，包括流场智能结构与阻力识别软件、多种来源的压力脉动软件。著有《空气动力学》（2007,2017）和《计算流体力学基本原理》等专著，以及大众科普著作《运动的旋律与变化的世界》。
本文原文来自搜狐，发布于2017年10月6日。