細數身邊的「空氣動力學」
本期內容節選自吳子牛教授《運動的旋律與變化的世界》一書。這是一本集知識性、趣味性和科學性為一體的綜合科普讀物，文章用徘徊於通俗描述和專業邏輯間的折中語言，展現了科學的真實、獨立、智慧、多變和迷人。本期節選內容都與「空氣動力學」有著千絲萬縷的聯繫，請跟著吳老師的指引了解不一樣的「空氣動力學」吧。
絢麗多彩與剛柔並濟的空氣
抬頭看天空，除了雲彩和星星以及偶爾出現的流星與幽閃，似乎什麼都沒有。
其實，地球周圍充滿了空氣。空氣有時也安靜，地球引力不讓它們飄往太空，陽光照射讓它們擁有溫度與氣壓，海洋蒸發讓它們擁有水分。溫度、氣壓和水分既讓空氣有生氣，也讓空氣有情緒：風雨雷電，冷暖無常。空氣的運動既可以讓天空彩雲朵朵，讓紅旗飄飄，也可以讓昆蟲、飛鳥和人造飛機空中飛翔。
我們生活在空氣之中。空氣中有小得看不見、多得數不清的空氣分子。空氣非常愛美，只有順從它的形狀和姿態，它才可以給你讓道，甚至把你舉起來，可以讓你穿梭自如、風馳電掣。蒲公英了解空氣的秉性，所以它舉起華麗的冠毛傘，於是南風就成了它的遊樂場；大雨滴在空氣中穿梭，也會知趣地變成傘蓋狀，空氣幫它減速徐徐下落，從而不會砸傷小蜜蜂遭遇官司；小鳥和昆蟲選擇了精美的翅膀，空氣氣流幫助它們自由飛翔；飛機模仿了鳥，插上一對形體優美的機翼，空氣便友好地在機翼上表演上吸下舉的絕技，讓飛機輕巧地在空中遠航；空氣讓急速降落的流星帶著一團火球、讓旋轉的足球走弧線、讓美麗的雪花輕輕飄落。
於是，高速列車、現代汽車和飛機乖乖披上了流線型外衣。
然而，如果你不修邊幅，長得像隨便撿來的小石頭一樣，你將遭遇重重險阻。
不修邊幅的飛石
誰都知道，拋向空中的石頭，在重力的作用下會加速下落。可是，除了重力，別忽略和小看那些看不見的空氣分子。空氣可不是那麼好對付的，分子很小，可是它們多啊。它會擋在前面，得推開它；它又在後面尾隨，又得拖著它；它試圖阻止小石頭飛得更快、飛得更遠。
因為不修邊幅的小石頭還不了解空氣愛美的屬性，所以遇到的阻力會更大。
以一塊各個方向尺寸都差不多的小石頭為例。
小石頭在空氣中飛行，迎風面撞擊空氣分子，空氣同樣給了石頭迎風面的力，即石頭的迎風面有了正壓。迎風面的反面是背風面，背風面的空氣被石頭拖著走，被拖動的空氣也就有了一個拉扯石頭的力，即石頭的背風面出現負壓。背風面的負壓也可以這樣理解，背風面的空氣顯然是被石頭吸著走，只有負壓才能被吸著走。你用一根管子對著水吸氣，水就流進嘴裡，表明吸氣時，氣壓低了，水就順著低氣壓進嘴裡了。
當然，如果小石頭沿著飛行方向比較細長，那麼被推動的空氣可以從側面繞道背風面去幫忙。這裡不考慮這種纖細的形狀。從側面繞到後面的空氣的太少，不起太大作用。背風面起作用的主要是被拖動的空氣。背風面的空氣又沒長手去拉著石頭，怎麼會被拖著走？原來，如果不被拖著走，石頭背風面就會試圖被留下真空。所謂真空，就是真的很空，空的幾乎什麼都沒有。由於空氣分子有活蹦亂跳的熱運動，會去填滿任何空隙，因此不會留下真空。
石頭在空中飛行時，迎風面的正壓和背風面的負壓，均指向飛行反方向，合起來就是一種阻力，成為壓阻；側面與空氣分子也會發生摩擦，因此產生了摩阻。這種壓阻和摩阻一起，形成總的阻力，指向飛行方向相反的方向，會將飛行的石頭速度降下來。
小石頭在空氣中飛行
石頭的飛行速度越大，與空氣相互撞擊的力度就越大，因此阻力越大。這樣形成的阻力，與飛行速度的平方近似成正比，也當然與空氣的密度以及迎風面的面積成正比，這是因為空氣越稠密以及迎風面積越大，參與作用的空氣就越多。
比例係數也稱為風阻係數或阻力係數。
阻力係數與形狀、姿態和速度都有點關係。物體越美麗光順，越嬌小纖細，阻力係數越小。凸頭凸腦的小石頭，阻力係數接近1。扁平石頭阻力係數就小多了。
科學本身就是一種藝術，不知是否可以說，阻力係數就是美麗指數呢？
遠走高飛的高爾夫球
前文提到，具有流線型的物體和動物利用美麗的外觀取悅空氣，從而順暢地在空氣中穿梭。流線型外形細長或扁平、表面形狀光順過渡、帶有一定的弧度且表面沒有坑坑窪窪。但是一定要注意，如果沒有體型，僅有亮潔的皮膚也不一定行。
高爾夫球就不是流線型，所以它的外表越光滑空氣就越添堵，於是它乾脆讓皮膚粗糙，把氣流磕得亂躥，這種亂躥的氣流反而幫忙消滅添堵的拐彎渦，使高爾夫球飛得更高更遠。
這可能預示某種道理，順著來如果不行，那就反著來試試。
當然，咱們不能用嚇唬人的思維講道理。既然高爾夫球用粗糙的空氣死磕空氣並且取得了勝利，那麼其中一定有理性的原因。
正如蘇格拉底的因果定律所說，每一個結果都有特定的原因或者多個原因。
重量不能大於45.93克、直徑不能小於42.687毫米的高爾夫球，有酒窩型凹坑時，可以飛得更遠、更穩。這是偶爾發現的奧秘，事先並不知道為什麼。
一百多年前，英國工程師韋林?泰勒意外的發現：用過的高爾夫球的表面會出現不規則的破損，且這些舊的高爾夫球比表面光順的新球飛得更遠，基於此，他設計出了飛得更遠的帶酒窩凹槽的高爾夫球。帶了酒窩，就更偏離流線型了，摩擦阻力應該更大，為何反而飛得更遠了呢？
原來，對於非流線型物體，從迎風面避讓繞到背風面的氣流，需要拐的彎就太大或者太急。在拐彎太急的地方會在某點甩出去，這種現象在專業上稱為氣流分離。分離使從迎風面繞到背風面的空氣就少了，因此主要是背風面下游的空氣被物體拖著走，需要的力就大，因此阻力更大了。分離出去的氣流與背風面被拖進來的氣流方向相反，因此捲曲成旋渦，成為拐彎渦（專業上叫分離渦）。
流線型與非流線型的氣流與阻力
高爾夫球就是一種非流線型球體，很容易提早產生拐彎渦，產生很大的壓阻。如果帶有凹槽，就很容易把氣流磕亂，形成所謂的湍流，讓氣團找不到方向。
這樣來考慮，行走方向亂的幼兒，更容易鑽到別人家的房間。被打亂的氣流無規則地到處亂跑，很容易鑽進分離留下的空隙，使一旦有分離就可能被打亂的氣流填進去。因此，拐彎渦就不容易過早發生。於是本來比摩阻大得多的壓阻降低了，飛得更遠了。
光滑球與高爾夫球
高爾夫球的凹槽顯然不是隨意刻的，只有滿足一定的規律才有效，而六角形的凹槽最有效。
為何是六角形最有效？
想一想六角形的雪花，大自然果然是最好的老師。
分秒必爭的自行車賽車手
專業的自行車賽車手想的最多的問題就是，能否減少騎車過程的阻力，讓車手消耗更少的體力，從而取得更好的成績。
自行車在行進過程中，除了地面摩擦力作用和測歪時重力作用，還有風阻。自行車與人體作為整體去感受風阻，與石頭飛行產生阻力的道理一樣，自行車行進的風阻與形狀、迎風面積以及表面材質有關。
為了減小迎風面積，賽車手會俯下身軀，其行車速度至少比常人直身騎車快一倍。如果套一個流線型外罩（如細長紡錘體），那麼風阻會大幅度降低。
讓自行車減小阻力提高速度的技巧
一般情況下，風阻可佔據騎車總阻力的65%~85%，風阻以外的其他阻力是地面摩擦阻力。自行車本身的風阻占風阻25%左右（進一步分，車輪佔了5%~9%，支架4%~9%，罩6%~9%，其他2%~4%，合起來25%左右），而人體風阻占其餘75%左右。
通過俯身可以減小人體的迎風面積，從而減小阻力。車體阻力受表面特性、迎風面積以及形狀影響。雖然車體只佔風阻的25%，但對於分秒必爭的賽車手，減小車體風阻也是必要的。
進一步，如果在大風中騎車，尤其有側風的情況，那麼騎車就困難。側風產生側向風阻，容易使車側翻。如果側風方向與人的正面有一個夾角，那麼就有了迎角效應，有可能產生較大的與側風方向垂直的力。為了減小這種側風作用，可以適當扭轉身體，使側風方向與身體的正面盡量平行，這樣就可以減小風阻作用。了解這些後人人都可能是自行車高手，可以像雜技選手一樣面對各種情況。
上一段提到了迎角效應，那麼也簡單的聊一聊。
迎角效應準確來講，是迎角的升力效應。
還是以一塊飛行的扁平石片來說明，石片飛行時，如果僅有迎風面的正壓和背風面的負壓，那麼正壓和負壓的合力就垂直於石片，而不是垂直於飛行方向。然而，實際上這種氣壓差帶來的合力近似垂直於飛行方向，是與重力方向相反的升力。
原來，飛行的石片迎面撞擊空氣時，前方被推動的空氣有一部分繞過前緣到了背風面。繞過去時要拐很大的彎，從而感受到較大的指離前緣的離心力。這個離心力抵消了一部分當地氣壓，因此給前緣施加負壓，產生吸力。前緣吸力指離前緣，與迎風面的正壓以及背風面的負壓形成的合力，令人不可思議的近似地垂直於飛行方向，即這種合力就是升力。
迎角產生升力和抬頭力矩
如果仰角適合，那麼石片受到的阻力（指與飛行方向相反的力）主要只有摩擦阻力。上面的氣壓差主要貢獻升力。
這就是仰角產生升力的本質原因。適當的仰角能產生升力，但迎角太大則物極必反。最糟糕的情況就是橫著飛，即迎風面與飛行方向垂直，這時就只有阻力沒有升力了。
於是必然有一個最佳迎角，使升力最大。
鳥翅膀的最佳仰角一般在12度左右，一般飛機機翼的仰角也接近這個值。
風中轉掌知升力
為了讓升力不再陌生，那麼就來一次與升力的親密接觸吧。
設想你坐在行駛的汽車副駕座位上，在確保安全的前提下，將右手伸出右側窗外。首先將手掌放平，那麼你頂多會感覺到風給手掌向後推的力，且只有車速足夠快時，才會明顯有這種感覺。
現在你將右手手掌順時針轉一個小的角度，即讓手掌有點迎角。如果車速較小，或者迎角較小，那麼不會有奇蹟發送。現在讓車速快點兒，比如每小時70千米。將五指併攏，手掌盡量展平，接著將手掌迎角慢慢增大。會出現一個仰角，可能在30度左右，你的手突然會被舉起來。
就是說，手掌獲得了向上的升力，至於迎角多大會把手掌抬起來，還與手掌的大小、車速以及手型有關。
當然，一定要注意安全，一定要慢慢增大迎角，別因為你手掌的形狀太利於產生升力，以致突然產生很大升力，抬起速度太快而磕在車窗框上。
同時，你可以調節手型和迎角，使升力足夠大，再感覺一下手心、手背以及正對著前方的拇指會感受到什麼。
有些地方氣壓高了（比如說拇指靠掌心的部位）、有些地方氣壓低了（手背拱起的地方）。尤其是作為前緣的拇指上側，那裡的負壓很大。
手在風中產生升力
結語
經過大風吹拂的山丘、經過雨水洗刷的山坡、經過流水沖刷的內河岸，形狀都是某種形式的流線型。山形地貌有了這種形狀，氣流或水流就能順利的流過，否則就會施加較大的作用，試圖削平那些凹凹凸凸的部位。深海中外形巨大的鯨魚，在海水中能以每小時數十千米的速度遊動，很大程度上也得益於它所擁有的流線型外形。
原來，自然萬物也都懂得一點圓滑的道理。
於是，人類有了靈感，那些需要高速行進的汽車、飛機、列車等都被設計成了流線型。這種人造外形，與自然界經受氣流或水流衝擊形成的山形地貌或優勝劣汰進化出來的動物外型，具有異曲同工之妙。
就這樣，空氣動力學就與自然萬物聯繫起來了。
空氣動力學也因此變得更加的生動和迷人。
《運動的旋律與變化的世界》
作者簡介
吳子牛教授
現任清華大學教授、博士生導師，專業為空氣動力學。
1985年獲得北京航空學院空氣動力學學士學位。1988年獲得法國ECP傳熱與燃燒深入研究文憑。1992年獲得居里大學力學博士學位。1994年回國任教，先後在北京航空航天大學和清華大學擔任副教授、教授、博士生導師。曾獲得國家傑出青年基金、中國青年科技獎和長江學者等稱號。擔任過總裝863專家、總參高分論證專家、一帶一路考察團專家。擔任過Computer&Fluids和CFD Journal地區編輯，現擔任CJA副主編。曾作為秘書長組織過近10次國際國內學術會議，包括第四屆亞洲計算流體力學會議和海峽兩岸交流會議。目前為航空學報英文版(SCI一區期刊)副主編。擔任航空學報高超專輯(2015年1月)特邀主編。現擔任清華大學校學位評定委員會委員，以及力學、航空宇航科學與技術學位主席。
長期從事空氣動力學教學與人才培養、學術研究和相關工程問題計算分析與軟體開發；給雪鐵龍標緻集團開發過汽車進排氣系統壓力脈動軟體、開發過電噴霧化三維流場模擬程序；用理論得到了汽車霧化液滴碰撞公式，被法國CNRES科學家用實驗驗證；對各領域問題中的旋渦等結構的影響進行了深入研究，在流體力學最頂級的國際刊物Journal of Fluid Mechanics發表的論文達到13篇，其他論文近100篇；給相關行業開發了十餘套工程分析軟體，包括流場智能結構與阻力識別軟體、多種來源的壓力脈動軟體。著有《空氣動力學》（2007,2017）和《計算流體力學基本原理》等專著，以及大眾科普著作《運動的旋律與變化的世界》。
喜歡《運動的旋律與變化的世界》的讀者，可以在天貓?清華大學出版社官方旗艦店購買。
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