2.5　流动阻力

2.5.1　泊肃叶和泊肃叶定律

泊肃叶（Jean-Lous-Marie Poiseuille，1799—1869，图2-27），法国生理学家、物理学家。他在巴黎综合工科学校毕业后，又攻读医学，长期研究血液在血管内的流动，发明了血压计用以测量狗主动脉的血压，发表了一系列关于血液在动脉和静脉内流动的论文。1840—1841年发表了论文《小管径管道内液体流动的实验研究》，指出流量与单位长度上的压力降和管径的四次方成正比，此定律后被称为泊肃叶定律。由于德国工程师G.H.L.哈根在1839年曾得到了同样的结果，1925年W.奥斯特瓦尔德建议将该定律命名为哈根-泊肃叶定律，该定律后来成为G.G.斯托克斯于1845年建立的黏性流体运动基本理论的重要实验证明。为了纪念泊肃叶对流体力学所作的贡献，1913年英国R.M.迪利和P.H.帕尔建议将动力黏度的单位命名为泊（poise，1P=1dyn·s/cm²）。1969年，国际计量委员会建议的国际单位制（SI）中，动力黏度单位改用Pa·s（1Pa·s=10P）。现在，流体力学中常把黏性流体在圆管道中的流动称为泊肃叶流动，医学上把小血管近壁处流速较慢的流层称为泊肃叶层。毛细管黏度计（图2-28）的依据就是哈根-泊肃叶定律。

2.5.2　空气阻力系数

汽车在行驶中受到的空气阻力，包括纵向、侧向和垂直三个方向的分量，对高速行驶的汽车会产生不同的影响，其中纵向分量最大，约占空气阻力的百分之八十以上，其系数由风洞测试得到。由于空气阻力与空气阻力系数成正比，因此，为了减小空气阻力就必须降低空气阻力系数。实验表明，空气阻力系数每降低百分之十，燃油可节省百分之七左右。

19世纪末，人们认为汽车的阻力主要来自前部对空气的撞击，因此早期的汽车后部是陡峭的，称为箱型车，阻力系数很大，约为0.8。实际上汽车阻力主要来自后部形成的尾流，称为形状阻力。20世纪30年代起，人们开始运用流体力学原理改进汽车尾部形状，出现了甲壳虫型，阻力系数降至0.6。20世纪50—60年代改进为船型，阻力系数为0.45。70年代能源危机后，各国为了进一步节约能源，降低油耗，都致力于降低空气阻力系数。80年代经过风洞实验系统研究后，又改进为鱼型，阻力系数为0.3，以后进一步改进为楔型，阻力系数为0.2。可以说，每一种车身外形的出现，都伴随着空气动力学技术的进步。

现代轿车的外形一般用圆滑流畅的曲线消隐车身上的转折线（图2-29）。例如，发动机罩向前下倾，车尾后厢盖短而高翘，后翼子板向后收缩，挡风玻璃采用大曲面玻璃，且与车顶圆滑过渡，前风窗与水平面的夹角一般在25°～33°之间，侧窗与车身相平，前后灯具、门把手嵌入车体内，车身表面光洁平滑，车底用平整的盖板盖住，降低整车高度，等等，这些措施都有利于降低空气阻力系数。

在飞机设计中，1928年美国国家航空咨询委员会启用飞机引擎罩和流线型设计，使空气阻力大大减小，机身不再是影响飞机速度的主要因素。

2.5.3　游泳阻力与鲨鱼皮泳衣

游泳时皮肤摩擦阻力是水在经过泳衣或皮肤表面时产生的阻力，会降低游泳者的速度。为了使泳衣或皮肤光滑以降低摩擦阻力，泳衣应采用低摩擦材料，并更多地覆盖身体，但又不能阻碍运动员的动作。生物学家发现，鲨鱼皮肤表面粗糙的V形皱褶可以大大减少水流的摩擦力，使鲨鱼能快速游动。鲨鱼皮泳衣就是模仿鲨鱼的皮肤制成的，在接缝处模仿人类的肌腱，为运动员向后划水时提供动力。在布料上模仿人类的皮肤，富有弹性。实验表明，鲨鱼皮泳衣可以减少3％的水阻力，这在1％秒就能决定胜负的游泳比赛中具有重要意义。另外，在管道输送中，在管道内壁使用仿鲨鱼皮，可使管壁阻力比普通管道减少8％左右。