身边的流体及流体力学

流体是液体和气体的总称。

世界上大部分的物质是以流体的状态存在的，地球表面的是海水，周围是大气，地球的核心也是液态的。可以说，人类是生活在被流体包围的世界里。人类在征服自然和改造自然的实践过程中逐步产生和发展了流体力学。古代的人们在兴修水利、灌溉农田的实践中开始认识和利用水流的规律，在航行、航海等利用风能的实践中认识了空气的运动规律。虽然当时缺乏系统的流体力学知识，但古人凭借自觉的观察和不断的实践，逐渐认识和掌握了流体运动的一些规律，建造了许多伟大的工程。在这些伟大的生产实践中逐步形成和完善了流体力学学科。

对我们每一个人来说，虽然我们天天生活在气体、液体的环境里，处处与流体打交道。但我们对流体及其运动的许多认识还停留在感性阶段，如果能了解流体力学中的一些理论和成果，可以对我们的生活、工作起到事半功倍的效果。

例如，许多人都知道在房间门口或狭长通道内风速较大，夏天此处较凉快，人们愿意待在此处;冬天此处较冷，人们一般尽量避开。这里反映了流体力学中的一个理论——连续性方程:流动面积小的地方流体流速大;流动面积大的地方流体流速小。

再如，河道中两船航行时，其距离不能太近，否则两船将相互吸引而碰撞(即船吸)。在火车站台上，火车进站时，候车的旅客不能离火车太近，要在安全距离外，否则有危险。这里反映了流体力学的另一个理论——伯努利积分(或拉格朗日—柯西积分):在同一个位置高度下，流体流速大的地方压强小;流体流速小的地方压强大。

还有，在风雨中行走的时候，人们会发现打着伞走路和不打伞走路所费的力气不一样。前者感觉所受阻力较大要多费力气，后者感觉所受阻力较小所费力气较小。人在空气中行走，与飞机、汽车在空气中运动一样，在流体力学中都称为外流流动。对于属于外流流动的运动物体，将承受摩擦阻力和压差阻力。其中压差阻力是来自于运动物体的前后在气流影响下所形成的压强差，这个压强差的大小(即压差阻力)是与运动物体的迎风面面积成正比的。打着伞走路的人，迎风面面积大，则所受的压差阻力大。飞机、汽车尽可能做成流线型的，其目的就是尽量减少压差阻力。

仔细观察一下，我们可以发现生活中和工程中有许多可以用上述理论解释的现象。也有许多运用上述理论的设备。

当然，上述现象可以说是人们的感觉或直觉与流体力学的理论相符的情景。在生活中还有一些现象与直觉是不相符的。下面举几例:

1．超音速流的加速。人们一般都认为流体在面积逐渐变小的通道中流动时，其流动将逐渐加速。如消防龙头和灌溉用的喷头就是面积逐渐变小的通道。这种情况一般发生在水流流动中速或低速、亚音速的气体流动中。对于气体作超音速流动中，只有在面积逐渐变大的通道中，流动才获得加速，这与人们的直观是不相符的。

2．汽车的阻力。人们的直觉都认为汽车高速前进时遇到的阻力主要来自前部对空气的撞击，而与后部无关。相关研究表明，汽车的阻力主要来自后部的尾流，或者说不合适的尾流将加大汽车的阻力。汽车尾部形状的改进，可以大大降低其阻力。

3．高尔夫球的表面。仔细观察高尔夫球表面，可以发现球的表面是粗糙的，人为做成了许多凹坑。按照人们的直觉，表面光滑的球飞行阻力小，可以飞得更远。早期的高尔夫球就是这样的，后来人们发现旧的、有很多划痕的高尔夫球飞得更远，人们非常迷惑不解。直到20世纪产生的流体力学边界层理论解开了这个谜。为使高尔夫球飞得更远，人们不断改进高尔夫球的表面，由螺旋线、网纹、方格纹到现在的凹坑。现在高尔夫球可以一杆打过200m远，其飞行阻力约为光滑表面球的

对于一些流动，人们不能凭直觉认识的原因在于:(1)空气是看不见摸不着的，水也是无色透明的，因此人们无法用感官器官直接观察到真实的流动状况;(2)人类的生活起居环境所限，人们已适应和具备如低速一类环境的场合和经验，对于超音速这一类的高速和超高速的流动不了解，当然这种流动变化太快，肉眼也无法辨认。另外，对流体力学的知识了解不够，也是重要原因之一。由于我们生活在空气和水的环境中，适当了解一些流体力学的知识，不仅可以对身边的一些自然现象和流动现象深入了解，提高生活品位;还可以对自己从事的各类专业起到触类旁通的作用，提高专业水准。