阻力是物体在运动过程中,由于与其他物体或介质的相互作用而产生的阻碍运动的力。
一、定义与基本概念
阻力,又称后曳力、空气阻力或流体阻力,是物体在流体中相对运动所产生与运动方向相反的力,其方向和其所在流场的流速方向相反,一般摩擦力不随速度变化而变化,但阻力会随速度而变化。
二、阻力的类型
1、摩擦阻力:由于空气的粘性作用,物体表面会产生与物面相切的摩擦力,全部摩擦力的合力称为摩擦阻力。
2、压差阻力:与物面相垂直的气流压力合成的阻力称压差阻力,在不考虑粘性和没有尾涡(见举力线理论)的条件下,亚声速流动中物体的压差阻力为零(见达朗伯佯谬),在实际流体中,粘性作用下不仅会产生摩擦阻力,而且会使物面压强分布与理想流体中的分布有别,并产生压差阻力。
3、诱导阻力:当机翼或其他物体产生举力时,在物体后面形成沿流动方向的尾涡,与这种尾涡有关的阻力称为诱导阻力,其数值大致与举力的平方成正比。
4、波阻:在跨声速(见跨声速流动)或超声速气流中会有激波产生,经过激波有机械能的损失,由此引起的阻力称为波阻,这是另一种形式的阻力。
5、兴波阻力:船舶在水面上航行时会产生水波,与此有关的阻力称为兴波阻力。
三、阻力的影响因素
1、物体的形状:具有良好流线形的物体,在未发生边界层分离的情形(见边界层),粘性引起的压差阻力比摩擦阻力小得多,对于非流线形物体,边界层分离会造成很大的压差阻力,成为总阻力中的主要部分。
2、物体的表面状况:物体表面的粗糙度、湿度等会影响阻力大小,飞机表面的污渍、划痕等会增加空气阻力;轮胎表面的花纹、磨损程度等会影响滚动阻力。
3、物体的运动速度:阻力与低速流动的速度成正比,与高速流动的平方速度成正比,在低速区,粘性力占主导地位,阻力主要来自物体表面的摩擦阻力;在高速区,压力差占主导地位,阻力主要来自物体前后的压力差。
4、流体的性质:流体的密度、粘度、温度等性质会影响阻力大小,空气的密度越大,物体在空气中运动时受到的阻力越大;流体的粘度越大,物体在其中运动时受到的粘滞阻力越大。
四、阻力的应用与影响
1、航空航天领域:阻力的控制对于飞行器的设计和性能优化起着决定性作用,减少飞行器表面的粗糙度、优化机翼形状等措施都可以降低阻力,从而节省燃料,增加航程。
2、汽车工程领域:汽车在行驶过程中会受到空气阻力的影响,为了降低空气阻力,提高汽车的燃油效率和行驶性能,工程师们会对汽车的外形进行精心设计,使其具有更低的风阻系数。
3、管道运输领域:液体或气体在管道内流动时也会受到阻力,工程师需要准确计算阻力大小,以选择合适的泵或压缩机来保证流体的正常输送。
阻力是物体在流体中运动时不可避免的一种力,它对物体的运动速度和能量消耗有着重要影响,通过了解阻力的产生原因、类型和影响因素,以及采取相应的减阻措施,可以有效地提高物体的运动效率和性能。
下面是两个关于阻力的问题:
1、为什么流线型的物体在高速运动时受到的空气阻力相对较小?
答案:流线型的物体在高速运动时,其周围的空气能够更顺畅地流过物体表面,减少了空气在物体后方产生的涡流和湍流,从而降低了压差阻力,流线型物体的表面积相对较小,与空气接触的面积也相应减小,进一步减少了摩擦阻力,流线型的物体在高速运动时受到的空气阻力相对较小。
2、如何通过改变物体的形状来减小其在流体中的阻力?
答案:可以通过以下几种方式来改变物体的形状以减小其在流体中的阻力:一是使物体具有流线型的形状,如水滴形、纺锤形等,以减少空气或流体在物体后方产生的涡流和湍流;二是尽量减小物体的表面积,以降低与流体接触的面积;三是避免物体表面出现尖锐的边缘或凸起,以减少流体在这些部位的分离和湍流产生。
标签: 目标实现 阻力 障碍