自行车空气动力学及原理.doc

自行车空气动力学及原理 空气动力学主要研究气流如何在物体表面流动以及气流与物体之间相互作用的力. 空气阻力这里主要指因风或者空气的阻挡而施加在物体移动的相反方向上的力, 在我们接下来的研究里, 这个物体指的是骑行者和他的自行车.以下有两种作用在骑行者上的空气阻力:压差阻力.摩擦阻力.压差阻力主要作用在骑行者身上的阻力是压差阻力. 它是由于空气粒子在迎风面被压缩得更密集(被挤到一起)而在背风面被分散开所导致的一种阻力.这是因为当分层流动的空气与物体表面分离并开始旋转而形成的---这被称作”湍流”(也有人称之为”扰流”).这种气压差意味着空气粒子在自行车和骑行者的迎风面上有一个比在背风面上更大的推力, 所以这产生了一个向后拉的阻力.如果车架的管型被塑造得更像一只风翼(译者补充: 或者说更流线型), 气流会更贴近车架表面流动, 因此在背风面产生的湍流尾迹会更加狭窄. 这导致低气压区大大减小从而使压差阻力也变小.这个低气压区同样出现在骑行者的手臂, 腿, 头, 以及背部之后. 你很难通过重新塑造这些部位的形状来使气流更贴近表面流动从而减小压差阻力.但是你可以做一些努力来减小骑行者造成的压差阻力:佩戴一个气动头盔来减小骑行者头部背面的低压区.让身体保持尽可能低的姿势(也就是尽可能水平)以使空气直接从背部上方流过.将线管, 水壶以及刹车部件隐藏在车架的内部或者背面, 由此它们可以直接处在低压区.对团队骑行来说, 车手可以通过紧跟前面车手骑行来利用他们身后的低压区. 这就叫做跟风, 跟风可以节省车手约30%的体力.摩擦阻力当空气分层流过一个粗糙的表面时, 最靠里一层的空气粒子会与表面发生碰撞. 这会导致空气粒子的流速瞬间下降(甚至在表面上完全停下来!).这些里层的粒子然后会与稍外层的空气粒子发生碰撞从而也降低了外层粒子的流速.然而当你再往该表面的外层看, 空气粒子的流速并没有被影响到. 空气粒子的流速被影响到的区域被称作”边界层”.对于骑行者来说, 边界层的厚度大概在几毫米到几厘米之间. 减小摩擦阻力最好的方法就是让与空气接触的表面尽可能光滑. 穿上一件紧身的连体服能对骑行者的速度产生巨大影响.迎风面积迎风面积是你从骑行者前面所看到的正面的整块面积大小. 减小这面积意味着与风的碰撞会变得更少.减小迎风面积的方法包括握下把或者使用aerobar(气动弯把). 腰部下弯直到一个接近伏倒的姿势, 然后肘部内收可以减小阻力, 因为这会让骑行者有一个更流线的形状以及更小的迎风面积.计算风阻以下这条公式被用作计算一个物体所遇到的风阻(译者注: 粗略的公式, 不专业请轻喷):FD 表示风阻大小.CD 表示风阻系数(形象点说就是表示一个物体有多流线型的一个数字). 更小的CD表示更小的风阻, 例如:柱体的 CD = 1.2方柱体的 CD = 2.0 (有棱有角并不好)椭圆形柱体的 CD = 0.6 (圆滑的边缘更好)风翼状柱体的CD = 0.1A 表示物体的迎风面积大小(单位是平方米).ρ表示空气密度(大概1.2kg每立方米).V表示物体在空气中的移动速度(单位是米每秒, 即m/s).这条公式说明, 假如迎风面积翻倍, 风阻同样会翻倍, 所以对于骑行者来说保持身体下倾以及手臂和肩膀内拢相当重要.那些高功率输出而风阻又低的车手(肯定不是大胸)可以在TT中保持50到60km/h的速度. 紧跟在另一样交通工具之后的自行车(非常规的自行车)的世界最快记录是268.8km/h. 这说明了如果空气阻力被实质性降低之后骑车能到达什么样的速度.