基本介紹
- 中文名：空氣阻力
- 外文名：air resistance
- 實質：空氣對運動物體的阻礙力
- 所屬學科：物理學
空氣阻力簡介,運動方程,汽車方面,汽車阻力,阻力係數,加裝尾翼法,車身形狀,試驗,套用,降落傘,減速傘,
空氣阻力簡介
空氣阻力是汽車在空氣介質中行駛，汽車相對於空氣運動時空氣作用力在行駛方向形成的分力，空氣阻力與汽車速度的平方成正比，車速越快阻力越大。如果空氣阻力占汽車行駛阻力的比率很大，則會增加汽車燃油消耗量或嚴重影響汽車的動力性能。
在一級方程式賽車界中有這么一句話：“誰控制好空氣，誰就能贏得比賽”。追求最佳的空氣動力是現代一級方程式賽車中最重要的部分之一。在時速達300km以上的賽車世界中，空氣在很大程度上決定了賽車的速度。空氣動力中，要考慮的要素簡而言之有兩點。
空氣阻力
空氣阻力1、減少空氣阻力（drag）；
2、增加把賽車下壓的下壓力（downforce）。空氣阻力越小賽車的速度越能越快，下壓力越大賽車在彎道時的速度就越快。空氣動力學簡單說就是如何取決在某些時候這兩個完全相反的力的最佳平衡。實際操作時要與環境因素造成的氣流量的壓強掛鈎。 否則你將區別不出什麼是空氣動力和空氣阻力。
摩擦阻力
指空氣粘度在車身表面產生的切向力在行駛方向的分力；該力僅占空氣阻力總額的9%，在航空和航天中其作為重點考慮對象，在地面一般車輛中可予以忽略。
降落傘是利用空氣阻力，依靠相對於空氣運動充氣展開的可展式氣動力減速器，使人或物從空中安全降落到地面的一種航空工具。主要由柔性織物製成。是空降兵作戰和訓練、航空航天人員的救生和訓練、跳傘運動員進行訓練、比賽和表演，空投物資、回收飛行器的設備器材。
在空中運動的物體，受到空氣的阻力，在空氣中如果速度低於2.5 M（馬赫），基本上認為其阻力f與阻力係數k傘的面積S速度成正比 （f=ksv），這時k一般可取為2.937。當其在空氣中如果速度高於2.5 M（馬赫），由於空氣的摩擦， 開始出現氣動加熱現象。
運動方程
通過對空氣阻力積分，我們可以得到在空氣阻力條件下的加速度，速度和位移方程。
根據空氣阻力的公式：
計算。
式中：C為空氣阻力係數，該值通常是實驗值，和物體的特徵面積（迎風面積），物體光滑程度和整體形狀有關；ρ為空氣密度，正常的乾燥空氣可取1.293g/l，特殊條件下可以實地監測；S物體迎風面積；V為物體與空氣的相對運動速度。由上式可知，正常情況下空氣阻力的大小與空氣阻力係數及迎風面積成正比，與速度平方成正比。在空氣中如果速度達到2.5M（馬赫） 附近， 由於空氣的摩擦， 開始出現氣動加熱現象。
假設空氣不動，上式中V=物體速度v。
由於空氣阻力方向與物體運動方向相反，因此以物體運動速度為正值時，空氣阻力方向則為負值。
如此加速度公式
.這是一個以t為自變數的簡單微分方程。
分離變數： 
兩邊積分：
解微分方程：
當
.時:
得：
汽車方面
汽車阻力
（1）形狀阻力
由車身形狀的不同而產生的空氣阻力（主要由作用在汽車前、後兩面的壓力差所至），其占空氣阻力總額的58%；
（2）干擾阻力
車身中局部突起部分（如：反光鏡、車門把手等）產生的空氣阻力，其占空氣阻力總額的14%；
（3）內循環阻力
發動機進、排氣系統、冷卻系、車身通風系統等所需要和產生的空氣流流經車體內部所產生的阻力，其占空氣阻力總額的12%；
（4）誘導阻力
空氣升力在水平方向的投影（主要由作用在車身上、下兩面的壓力差所至），其占空氣阻力總額的7%；
阻力係數
汽車在行駛中由於空氣阻力的作用，圍繞著汽車重心同時產生縱向、側向和垂直等三個方向的空氣動力量，其中縱向空氣力量是最大的空氣阻力，大約占整體空氣阻力的80%以上。空氣阻力係數值是由風洞測試得出來的。
由於空氣阻力與空氣阻力係數成正比關係，現代轎車為了減少空氣阻力就必須要考慮降低空氣阻力係數。從20世紀50年代到70年代初，轎車的空氣阻力係數維持在0.4至0.6之間。70年代能源危機後，各國為了進一步節約能源，降低油耗，都致力於降低空氣阻力係數。轎車的空氣阻力係數一般在0.28至0.4之間。
試驗表明，空氣阻力係數每降低10%，燃油節省7%左右。曾有人對兩種相同質量、相同尺寸；但具有不同空氣阻力係數(分別是0.44和0.25)的轎車進行比較，以每小時88km的時速行駛了100km，燃油消耗後者比前者節約了1.7L。
加裝尾翼法
汽車在行駛過程中的阻力可分為縱向、側向和垂直上升3個方面的作用。其中升力是由於氣流通過汽車上下面時流速不同而產生壓力差造成的，升力會使汽車產生向上浮起的趨勢，一方面導致輪胎與地面的接觸載荷減小，另一方面導致懸架幾何學特性發生變化，所以升力通常導致汽車的操縱穩定性變差。
汽車尾翼的作用，就是在汽車高速行駛時，使空氣阻力形成一個向下的壓力，儘量抵消升力，從而提高行駛的穩定性。
汽車尾翼形狀尺寸是經過設計師精確計算而確定的，不宜過大也不宜過小，不然反而會增加轎車的行車阻力或起不到應有的作用。
車身形狀
合理地車身形狀對於減小汽車的空氣阻力具有重要作用，現代車身空氣動力學工程師認為，低空氣阻力係數值的轎車車身應遵循下列要點：
車身前部
發動機蓋應向前下傾，如下圖所示。面與面交接處的稜角應為圓柱狀。風窗玻璃應儘可能“躺平”且與車頂圓滑過渡。前支柱應圓滑，側窗應與車身相平。儘量減少燈、後視鏡等凸出物，凸出物的形狀應接近流線型。在保險槓下面的前面，應裝有合適的擾流板。車輪蓋應與輪胎相平。
圖1 車身前部形狀
圖1 車身前部形狀整車
整個車身應向前傾斜1°~2°，水平投影應為“腰鼓”形，後端稍稍收縮，前端呈半圓形。
圖2 整個車身向前傾斜1°~ 2°
圖2 整個車身向前傾斜1°~ 2°汽車後部
最好採用艙背式(hatch back)或直背式(fast back)。應有後擾流板。若用折背式(notch back)，則行李箱蓋板至地面距離應高些，長度要短些，後面應有鴨尾式結構，如下圖所示。
圖3 帶有鴨尾結構的汽車後部
圖3 帶有鴨尾結構的汽車後部車身底部
所有零部件應在車身下平面內且較平整，最好有平滑的蓋板蓋住底部，如下圖所示。蓋板從車身中部或由後輪以後向上稍稍升高。
圖4 車身底部
圖4 車身底部發動機冷卻進風系統
仔細選擇進風口與出風口的位置，應有高效率的冷卻水箱、精心設計的內部風道，如下圖所示。
圖5 發動機冷卻進風系統
圖5 發動機冷卻進風系統對於貨車與半掛車，在駕駛室頂部加裝導流罩（如下圖所示），可以減小空氣阻力，改善燃油經濟性。
圖6 貨車與半掛車駕駛室頂部的導流罩
圖6 貨車與半掛車駕駛室頂部的導流罩試驗
在研究車身這類非流線體特性時，空氣動力學試驗已成為一種標準方法。風洞測試中，可採用整車模型或比例模型進行試驗，也可進行道路實車試驗。通過模型試驗確定設計車輛的空氣動力特性，對某些設計環節或部件進行改進，完善設計。
儘管空氣動力特性可根據理論方法和計算流體軟體來求解相關的流體力學方程來求出，但是，由於車輛外形的複雜性，很難用數值方法計算出與實際情況相符的氣動數據。因此在對符合空氣動力特性的車身設計中，風洞試驗仍十分必要。
風洞試驗首先要做出車輛模型，然後安裝在風洞的人工流場中，用儀器測量作用在模型上的力和力矩，以及用噴煙或氣流染色或貼絲線等辦法來觀察模型附近流線的變化，如下圖所示。
圖7 汽車風洞試驗
圖7 汽車風洞試驗雖然風洞試驗的效能已被廣泛承認，但因為要模擬輪胎轉動，地面運動和發動機進、排氣的影響、以及閉塞效應修正和速度修正等都很複雜，因此風洞試驗方法也不是沒有缺陷的。
套用
降落傘
利用空氣阻力使人或物從空中安全降落到地面的工具。它廣泛套用於航空航天人員救生，空降兵作戰和訓練，跳傘運動，空投物資，回收飛行器和設備等。降落傘按用途分為人用傘和物用傘。人用傘有救生傘、傘兵傘、運動傘和備用傘。物用傘有投物傘、回收傘等。用以縮短飛機著陸滑跑距離的阻力傘，就其工作原理來說，也屬於降落傘。
據《史記》記載，舜利用兩個斗笠，從著火的倉廩上跳下，安全落地，說明當時已有人懂得利用空氣阻力減小物體從空中降落速度的道理。12世紀，中國已有人用兩把帶柄的傘從高塔“跳傘”成功的記載。14世紀，中國雜技藝人用類似降落傘的裝置作 “跳傘”表演。15世紀，義大利著名藝術家達·文西曾畫了一個角錐形降落傘草圖，並作了說明。氣球的出現，促進了降落傘的發展。1783年，法國人L.S.勒諾芒研製了帶剛性骨架的降落傘。1797年，法國人A.J.加爾納蘭用降落傘從氣球上跳傘成功。20世紀初期，歐美一些國家先後發明能摺疊在傘包里、可由跳傘員手控打開的降落傘。1912年，美國人A.貝利第一次從飛機上跳傘成功。降落傘最初用於航空氣球救生。第一次世界大戰期間，大約有800名氣球偵察員被救，大戰末期用於飛機救生，第二次世界大戰中廣泛用於空降作戰，60年代用於航天員救生和太空飛行器回收。
降落傘一般由引導傘、傘衣、傘繩、背帶系統、傘包、開傘設備等組成。引導傘用於拉直傘衣、傘繩，使傘衣張開；傘衣用於產生空氣阻力；傘繩連線傘衣和背帶系統；背帶系統用於承受開傘衝擊力；傘包用來包裝引導傘、傘衣、傘繩；開傘設備用於封鎖和打開傘包。現代降落傘除少數部件用金屬部件製成外，大多用強度大、重量輕的化學纖維織物製成。傘衣形狀有方形、圓形、導向面形和翼形等。物用傘的傘衣面積，一般為幾平方米到90平方米，重型投物傘多用幾個傘組合而成。人用傘的傘衣面積通常為40～90平方米，下降速度一般不大於7米/秒，開傘衝擊力較小，下降穩定，操縱靈活，大都裝自動開傘器。70年代研製成翼型降落傘，傘衣為氣囊結構，面積約20平方米，傘衣張開後氣囊充滿空氣，展開呈機翼形狀，能產生一定升力，操縱輕便靈活，可獲得10米/秒左右的水平運動速度。隨著航空航天事業的不斷發展，降落傘的使用範圍將日益廣泛，其性能將朝著更加安全可靠、輕便靈活的方向發展。
減速傘
減速傘也叫阻力傘，是用來減小飛機著陸時滑跑速度的傘狀工具。通常由主傘、引導傘和傘袋等組成，裝在飛機尾部的傘艙內。飛機著陸滑跑中，由飛行員操縱打開傘艙門，引導傘首先張開，將傘袋拉出，打開主傘，傘衣被拉出張開後可增大空氣阻力，向後拖拽飛機，使之減速，縮短滑跑距離。
