探索流体世界的奥秘,解读流体中的趣味现象。本文内容翻译自机械设计师Haku的个人博客。
无论是飞机周围的气流,还是棒球投手投出的球体周围的气流,都会形成涡流。这种涡流能够产生升力,让飞机得以在空中飞行,同时也能让棒球呈现出曲线运动的轨迹。
由此可见,如果我们能够深入理解涡流的特性,就能够借助流体动力学的原理来阐释我们身边的诸多现象。
一、漩涡的定义
涡流,即流线呈同心旋转状态的流动。在我们的日常生活中,诸如海洋中的漩涡、台风、龙卷风以及洗衣机内的水流等,都是漩涡的实例。根据形成方式的不同,涡流又可以分为自由涡流与强迫涡流两种类型。前者是在自然环境下自发形成的,如台风和漩涡;后者则是通过对外力作用于流体而产生的,例如洗衣机在工作时形成的水流漩涡。
二、飞机机翼周围的涡流现象
以飞机机翼周围的流动情况为例,飞机之所以能够产生升力,其原理就在于通过机翼的上下表面制造流速差。具体来说,机翼上方的空气流速要快于下方,根据伯努利定理,流速快的地方压力低,由此在机翼的上下表面形成压力差,进而产生一个向上的升力,使飞机得以在空中飞行。
在这一过程中,机翼周围形成的涡流起到了关键作用。飞机的机翼顶部设计得略微凸起,与叶片的角度共同作用,使得这一区域容易形成涡流并加速上方的气流流动。由此,在机翼的上下表面之间形成压力差,为飞机提供了必要的升力。
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