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你开车“飘”了吗?空气动力学来揭秘

发布者:admin   发布时间: 2021-01-25 浏览次数:

 有时候在高速上开车时,随着车速的上升,会感觉汽车有种“飘飘然”的感觉。又或者是经过一辆大货车、大客车,车身摇晃的同时,方向也会摆一下。这就是我们经常说的这车“发飘”。

与此同时,很多人都发现,一般体型大、重量大的车子更不容易“发飘”。比如帕萨特跑高速就比POLO要“稳”一些。于是有人认为,车越重就越不容易发飘。真的是这样吗?其实这个问题可以用空气动力学来解释。

 

 

何为空气动力学?

一般而言,空气动力学划分为高速气动力学和低速气动力学,对于汽车而言,其属于低速气动力学范畴,这个部分主要研究空气的流动性及温度等作用。对于普通家用车而言,拥有优秀气动设计的汽车会更安静更省油,速度更快。

 

伯努利定律

我们首先得弄清楚空气流动的本质——分子移动。在不受到外力的状态下(平衡状态),气体分子是呈自由运动的,运动方向不一,彼此间时不时会出现碰撞,但一旦受到外力作用(地球自转),空气分子就会向某一个方向运动,这正是流动的空气,就是气流生成的原因。但空气分子即使向同一方向运动,仍然会受到各种各样外部力量的影响,空气流动会产生压力与流速两个特性,对上述两个特性的研究,正是气动力学的基础之一。

那么,气流流速和压力会怎样变化呢?我们不妨开一下脑洞,设想一个中间宽两头窄的圆形容器,让空气流过这个容器,流速与压力将怎么变化呢?一位叫伯努利的科学家在经过计算后,得出一条结论:在直径越小的区域,流速加快,压力减低;在直径越大的区域,流速减慢,压力增加。这条结论,就是空气动力学中著名的伯努利定律。也就是说,当空气经过越狭窄的地区,压力减少,流速加快,而通过较宽敞的地区时,压力会增加,流速会减慢。

 

 

当然,伯努利自己并不能很好地理解这个特性,后来,由一位叫尤拉的数学家将这个定律转化为精确的数学公式,人们才第一次可以精确计算气流特性,这条方程,称为尤拉方程(尤拉方程启发了后来的气体梯度及气流粘性研究)。

 

何为空升力与下压力

接下来要说到的是另外两个名词:流场和流线。什么叫流线?如果我们把气流的流动用一条直线表示,这条我们虚构出来,但确实存在的“线”,就是流线。而流场,则是指流体存在的某个区域。

 

 

当气流遇到固体,例如汽车车体时,流线会发生变化,同时,附近的流场也会有变化。根据伯努利定律,在凸起的物体上方,在流场缩小的情况下,压力减低流速加快,因此会在物体上方出现一个低压区,由于大气压作用,这个固体会被下方较大的气压抬起,这就是升力的产生机制。

 

 

实际上,汽车本身的设计就是一个升力体,对于赛车而言,可以通过各种手段把升力减低,甚至产生负升力,也就是下压力。但对于普通家用车而言,气流对它们产生的,绝大多数是升力,而几乎无法产生下压力。而且,车身越高的汽车(车体横截面纵轴高度越大),产生的升力也就越大,这是一个无法回避的问题

那升力有什么坏处?首先,它会让车子的操控性减低,速度越高,对车子的操控性影响就越大,驾驶者会觉得车子发飘,难以控制,这些都是缺点。而要消除这种缺点,我们只能通过两个方法解决:第一种,也是最简单的,加大车子自重,用重量去抵消升力影响。第二,通过对车身的重新设计,对气动力学进行优化,让车子的升力减小。

 

尾翼不能随便装

 

 

看到这里你可能会说:哪用得着那么麻烦,直接装尾翼就可以了啊!人家赛车都是有尾翼的啊!实际上,在民用车上装尾翼毫无必要。首先,尾翼确实能产生大量下压力,但这是建立在巨大风阻的前提下的。尾翼实际上就是一块强行让空气减速的板,一方面,空气减速了确实能产生下压力,但另一方面,又会产生巨大的空气阻力,这些空气阻力会让车子加速困难,油耗居高不下。


 

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