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工业设计中的「空气动力学」:研究气流,塑造设计

  • 发布时间: 2022-10-31
空气动力学:研究气流,塑造设计

空气动力学是物理学的一个分支,是关于空气和液体运动,以及物体在通过这类介质时所产生的作用力的研究。

为一门现代科学学科,空气动力学直到17世纪末才出现,这作要归功于多位物理学家的研究,其中包括艾萨克·牛顿(SirIsaac Newton),他依据运动定律为“空气阻力”做出了著名的诠释,并于1687年以《自然哲学的数学原理》(Philosophiae NaturalisPrincipia Mathematica)为题进行了论述。很重要的一点是,牛顿指出作用在运动物体上的阻力与物体速度的平方成正比。

飞机

△ 齐柏林 LZ120的模型“Bodensee”在德国哥廷根(Göttingen)的“风洞2号”(Wind Tunnel11)实验装置前接受测试(1920).这个早期的风洞是“现代空气动力学之父”路德维希,普朗特的心血之作。

当然,这些自然定律在很早以前也曾被观察到,早在公元前二三世纪,亚里士多德和阿基米德就为空气动力学打下了理论基础。文艺复兴时期,莱昂纳多·达·芬奇为试验飞行器做的设计体现了他已经认识到后掠形式在理论上更适于飞行,因为这种形式的飞机受到的风阻力较小。

然而直到20世纪早期,空气动力学才独立出来并应用在最早的动力飞行器的设计上-特别是最初由莱特兄弟于1903年试飞成功的“飞行者1号”。这款著名的飞行器的设计借鉴了科学界对气流的研究-采用一个简单的空气通道。次年,德国物理学家路德维希·普朗特(Ludwig Prandtl)定义了边界层-在气体或液体与物体表面相邻的薄层,具有不同的黏度特性。这一理论有助于更好地理解阻力。同时,这也引出了机翼理论,英国工程师弗雷德里克·W.兰彻斯特(Frederick W.Lanchester)于1907年对这一理论做了阐述,同样有助于解释升力的概念。

1919年,匈牙利工程师保罗·加雷(Paul Jaray)为齐柏林(Zeppelin)设计了风洞,并由此在飞艇设计中引入了水滴形状。加雷还帮助开拓了在汽车设计中使用空气动力学形式的方法,并于1922年为流线型车身申请了专利。他具有变革性的设计拥有流畅的动感形式,并融合了各种创新功能,包括环绕式挡风玻璃、集成式前照灯和嵌入式门把手,所有这些都旨在减少阻力,从而提高速度和性能。加雷的设计在之后应用到了1934年在捷克斯洛伐克生产的Tatra 77汽车的批量生产中。

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△ T87 汽车(1940),由汉斯·列德温卡(Hans Ledwinka)和埃里希·乌贝莱克(Erich Übe-lacker)设计,由捷克汽车制造商Tatra制造。这款汽车是对保罗·加雷之前的水滴型汽车T77的进化版。

这款汽车在营销中被誉为“未来之车”,并且是第一款真正经空气动力学设计和生产的车型,尽管数量相对较少,加雷的设计也成为之后其他更主流车型开发的借鉴对象,包括费迪南德·保时捷(Ferdi-nand Porsche)设计的大众甲壳虫(1936) .20世纪30年代,在美国,工业设计顾问亨利·德雷夫斯和雷蒙德·洛伊设计的流线型火车具有体现空气动力学设计的轮廓,尤其是20世纪限量款机车(1938)和S1机车(1937).1935-1937年,洛伊还将“灰狗巴士”(Greyhound bus)重新设计成更具空气动力学设计感的车型,并于1954年成为旅行观光巴士。然而当在交通工具(汽车、火车、飞机,甚至自行车)的设计中采用以空气动力学形式为基础的流线型外形时,对以增强性能为目的的理由来说是合乎逻辑的,然而家用电器的流线型化,比如电熨斗、烤面包机、冰箱和烤箱,则完全出于风格目的。

今天,由于先进的CAD/CAM软件的出现,空气动力学比以往更能启发对交通工具的设计-阻力越小,能源效率就越高,其性能就越好。不管是一级方程式的赛车、超级游艇,还是高科技比赛级自行车,这些都用到了空气动力学来塑造形态,以便让空气尽可能容易地在其周围流动。最终,对空气动力学的应用就在于创造出与运动定律相协调的设计。

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△ ASH 30 双座滑翔机(2011年首航),由马丁·海德(Martin Heide)设计,由位于德国波彭豪森(Poppen-hausen)的亚历山大·施莱谢尔(Alex-ander Schleicher)制造。这款先进的滑翔机可以实现最高标准的空气动力学性能标准。

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