簡述流體力學(xué)在航海與航空中的巧用

劉天翼

摘要：本文探析性研究學(xué)習(xí)流體力學(xué)的應(yīng)用，從不同角度和應(yīng)用領(lǐng)域探討流體力學(xué)的實(shí)際廣泛應(yīng)用，依據(jù)一個(gè)高三學(xué)生的初步認(rèn)識，分析了流體力學(xué)在祖國的航海和航空偉大事業(yè)中所做出的努力和創(chuàng)新，探討這一學(xué)科技術(shù)應(yīng)用到祖國建設(shè)的更多領(lǐng)域中，為祖國的繁榮富強(qiáng)奉獻(xiàn)科技技術(shù)的完美設(shè)計(jì)。

關(guān)鍵詞：流體力學(xué) 探析性研究 領(lǐng)域 實(shí)驗(yàn)

流體是液體和氣體的總稱。流體力學(xué)是在牛頓定律的基礎(chǔ)上發(fā)發(fā)展研究宏觀運(yùn)動的分支科學(xué)，它不涉及流體的物質(zhì)結(jié)構(gòu)，其實(shí)是把流體看成是由無數(shù)連續(xù)分布的流體質(zhì)點(diǎn)所組成而已。而流體的質(zhì)點(diǎn)指的不是個(gè)別流體分子，而是由大量分子所組成的集全。流體力學(xué)是物理科學(xué)的重要組成部分，它主要研究流體本身以及流體和固體界壁間的相互作用和流動的規(guī)律。人類賴以生存的地球，周圍包裹著一層厚厚的空氣，水占地球表面積的70%。由此可見，空氣與水這兩種流體與我們的生活密切相關(guān)。所以流體，是與固體相對應(yīng)的一種物體形態(tài)，是液體和氣體的總稱。由大量的、不斷地作熱運(yùn)動而且無固定平衡位置的分子構(gòu)成的，它的基本特征是沒有一定的形狀并且具有流動性。比如，我們身邊的水、空氣等都是流體。流體力學(xué)是力學(xué)的一個(gè)分支。在當(dāng)前，關(guān)于流體力學(xué)的相關(guān)科學(xué)研究成果已經(jīng)應(yīng)用到航海、航空和其它重要的高科技的技術(shù)領(lǐng)域與技術(shù)發(fā)展中，已經(jīng)成為了不同科學(xué)知識領(lǐng)域的基礎(chǔ)性科學(xué)。作為莘莘學(xué)子中的一員，夢想將來能在大學(xué)學(xué)習(xí)相關(guān)專業(yè)，未來為祖國的這一領(lǐng)域貢獻(xiàn)技能、投身研發(fā)一線！這就要求我們必須具備較高的專業(yè)知識水平和實(shí)踐創(chuàng)新精神，從現(xiàn)在起學(xué)有所成爭取考上理想專業(yè)的大學(xué)。

一、流體力學(xué)在航海中的巧用

流體力學(xué)應(yīng)用于航海領(lǐng)域的研究主要是液流，所以也可以把它叫做工程液體力學(xué)。流體機(jī)械的工作和原理還有性能和使用情況都是以流體力學(xué)作為理論基礎(chǔ)，如船舶的制造和流體力學(xué)機(jī)械工程有密不可分的聯(lián)系。下面就簡述一下流體力學(xué)在航海中船舶制造業(yè)方面的理論應(yīng)用。

船，一種古老又神奇的工具，是人類最早的運(yùn)輸工具之一。它連接了七大洲，把文明傳向全世界。船在水中正常的行駛條件下，受到的是向上的水的浮力和向下的重力，這兩個(gè)力構(gòu)成一對相互平衡力，使船在水面上不至于沉沒。除了受到浮力和重力外，航還會受到發(fā)動機(jī)的推動力與水的阻力。這些因素綜合起來影響到航行的速度和效率。所以流體力學(xué)在航海中有著廣泛的應(yīng)用。

1.船舶的外形設(shè)計(jì)。船舶在水面航行時(shí)，船體在水和空氣兩種流體介質(zhì)中運(yùn)動，受到水和空氣對船體的阻力。因此船舶建造采用現(xiàn)代化的涂料涂裝，表面平滑極大地減少了與流體的阻力。船型一般為前圓后尖，略像水滴形，沒有大的起伏和尖銳的棱角，這種形狀我們稱之為流線型。流線型的物體能把受到流體的阻力降到最小，這種結(jié)構(gòu)將流體力學(xué)應(yīng)用到最佳狀態(tài)，提高了船舶航行的速度。

2.船舶的動力?，F(xiàn)代船舶業(yè)的發(fā)展已經(jīng)走過了繼舟、筏之后利用風(fēng)力前進(jìn)的帆船時(shí)代?，F(xiàn)代船舶利用電、熱、核能提供能源，通過安裝于船尾水線以下的螺旋的旋轉(zhuǎn)，將水推向船后，利用水的反作用力推船前進(jìn)。

3.“船吸”現(xiàn)象。 當(dāng)兩艘船靠得比較近、平行著向前航行時(shí)，因?yàn)樵趦伤掖虚g的水比外側(cè)的水流得快，中間水對兩船內(nèi)側(cè)的壓強(qiáng)，也就比外側(cè)對兩外側(cè)的壓強(qiáng)要小。于是，在外側(cè)水的壓力作用下，兩船漸漸靠近，最后相撞?，F(xiàn)在航海上把這種現(xiàn)象稱為“船吸”現(xiàn)象。因此，為了船只能夠安全行駛，利用流體力學(xué)這一特性，各國制定了相關(guān)的“航海規(guī)則”，避免撞船事故的發(fā)生。

其實(shí)在現(xiàn)實(shí)生活中流體都是具有或大或小的粘滯性的，由于內(nèi)摩擦的力的存在性，實(shí)際流體在出現(xiàn)流動時(shí)都會有能量的大小損耗，這項(xiàng)科學(xué)應(yīng)用到不同工程領(lǐng)域都會對不同的介質(zhì)帶來一定的影響，如我們常見的石油、天然氣、污水和飲用水等的輸送管道，必須要提供足夠的能量來克服流體摩擦力的能量消耗，以達(dá)到所要求的流量和壓強(qiáng)。

二、流體力學(xué)在航空中的巧用

流體力學(xué)所研究的對象不僅包括液體，還有氣體。液體和氣體在自然環(huán)境中無處不在，而在實(shí)際工程中這門科學(xué)已經(jīng)遍布科研領(lǐng)域，涉及到國民經(jīng)濟(jì)和社會發(fā)展的各個(gè)領(lǐng)域。隨著科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步和科學(xué)研究的深入和深化，科研的成果不斷更新和擴(kuò)大。在航空技術(shù)高速發(fā)展的今天，流體力學(xué)的平面勢流理論、機(jī)翼理論、螺旋理論和附面層理論也得以高速發(fā)展。很早以前，我們的祖先就幻想像鳥一樣在天空中自由飛翔，從美國萊特兄弟制造出世界上首架飛機(jī)以后，隨著現(xiàn)代技術(shù)的高速發(fā)展，飛機(jī)極大的改變了人們的生活。飛機(jī)在空中飛行時(shí)受到的力主要有：重力、機(jī)翼產(chǎn)生的升力、發(fā)動機(jī)的推力、空氣阻力。這些因素綜合起來影響到航行的速度和效率。所以流體力學(xué)在航空中有很廣泛的應(yīng)用。

1.飛機(jī)的外形設(shè)計(jì)：大多數(shù)飛機(jī)由五個(gè)主要部分組成：機(jī)翼、機(jī)身、尾翼、起落裝置和動力裝置。飛機(jī)的外形是仿照鳥類的體型設(shè)計(jì)的，一般設(shè)計(jì)成流線型，這屬于仿生技術(shù)，流線型能減小空氣阻力，便于飛行。

2.飛機(jī)機(jī)翼設(shè)計(jì)。飛機(jī)機(jī)翼的上下兩側(cè)的形狀是不一樣的，上側(cè)的要凸些，而下側(cè)的則要平些。當(dāng)飛機(jī)滑行時(shí)，機(jī)翼在空氣中移動，從相對運(yùn)動來看，等于是空氣沿機(jī)翼流動。由于機(jī)翼上下側(cè)的形狀是不一樣，在同樣的時(shí)間內(nèi)，機(jī)翼上側(cè)的空氣比下側(cè)的空氣流過了較多的路程，即機(jī)翼上側(cè)的空氣流動得比下側(cè)的空氣快。根據(jù)流動力學(xué)的原理，機(jī)翼上側(cè)的空氣壓力要小于下側(cè)，這就使飛機(jī)產(chǎn)生了一個(gè)向上的浮力。當(dāng)飛機(jī)滑行到一定速度時(shí)，這個(gè)浮力就達(dá)到了足以使飛機(jī)飛起來的力量。于是，飛機(jī)就上了天。

3.飛機(jī)前進(jìn)的動力。飛機(jī)前進(jìn)的動力一般為兩種。一種是發(fā)動機(jī)帶動螺旋槳旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生的向前牽引力（螺旋槳就好像一個(gè)豎放的機(jī)翼，凸起面向前，平滑面向后。旋轉(zhuǎn)時(shí)壓力的合力向前，從而帶動飛機(jī)向前）。另一種是發(fā)動機(jī)向后噴射高速氣流，空氣產(chǎn)生的反作用力，變成一種強(qiáng)大的向前推力。導(dǎo)彈和火箭也是利用這個(gè)原理，使燃料燃燒膨脹，燃燒時(shí)產(chǎn)生的氣體高速噴出，利用了其高速氣體的反作用力來推進(jìn)升空。

40年代以來因?yàn)槌咚亠w行技術(shù)的發(fā)展和進(jìn)步，火箭技術(shù)、原子能技術(shù)、電子計(jì)算機(jī)等高精尖的科學(xué)技術(shù)都給流體力學(xué)提供了可研發(fā)的課題，使好多與之相關(guān)的新學(xué)科和知識領(lǐng)域出現(xiàn)，如電磁流體力學(xué)、化學(xué)流體力學(xué)、計(jì)算機(jī)流體力學(xué)、非牛頓力學(xué)、多相流體力學(xué)等等。這些新興的學(xué)科都具有流體力學(xué)的性質(zhì)，所以流體力學(xué)正和越來越多的其它科學(xué)相聯(lián)系和結(jié)合，從而使流體力學(xué)的科學(xué)基礎(chǔ)性地位越來越明顯。目前正在大力研究和發(fā)展的是計(jì)算流體力學(xué)將以突破對黏流流場物理現(xiàn)象的模擬能力為重點(diǎn)突破對象，特別是對精確預(yù)測流動分離點(diǎn)和轉(zhuǎn)捩過程還有就是湍流流動。航空空氣動力學(xué)發(fā)展研究的最終目的是成功地實(shí)現(xiàn)高端先進(jìn)的飛行器的研發(fā)?？蒲腥藛T依據(jù)這一領(lǐng)域的科學(xué)研究以及大量的風(fēng)洞試驗(yàn)結(jié)果，進(jìn)行飛行器的研究和設(shè)計(jì)，計(jì)算機(jī)技術(shù)的迅猛發(fā)展更推動了航空空氣動力學(xué)的新的研究革命，為祖國的航空航天工程技術(shù)發(fā)展提供了科學(xué)依據(jù)，也奠定了我們國家在世界上是航空航天技術(shù)領(lǐng)域領(lǐng)先大國的地位。

隨著國際、國內(nèi)的科技高速發(fā)展，航海、航空技術(shù)與日俱增，人類的科技和知識總量快速增加，知識更新越來越快、越來越全面，從流體力學(xué)的知識基礎(chǔ)地位和應(yīng)用領(lǐng)域來看，它具有重要的研究性和基礎(chǔ)性。當(dāng)下我國經(jīng)濟(jì)快速發(fā)展，流體力學(xué)在航海、航空中的應(yīng)用也越來越廣泛。我們相信，科學(xué)技術(shù)的不斷創(chuàng)新，會使流體力學(xué)更好地服務(wù)于我們的生活。

參考文獻(xiàn)：

[1]張也影.流體力學(xué)[M].北京：高等教育出版社，1999.

[2]周謨?nèi)?流體力學(xué) 泵與風(fēng)機(jī)[M].北京：中國建筑工業(yè)出版社，1994.

（作者單位：山東省濱州市鄒平縣第一中學(xué)高三24班）endprint