速度与空气阻力的分析介绍

速度与空气阻力

充电（电动）自行车（见图5－8）骑行不费力，一般自行车则需人力骑行。

在平地上慢慢推着自行车走是一点儿也不费力的，骑行起来就要稍微用点儿力气，如果想骑快点，当然要花更大的力气，这是骑过自行车的人的经验。然而，仔细想想这个问题，又觉得不甚合理：自行车前进时的阻力不就是车轮与地面的摩擦力吗，只要驱动力（或说牵引力）等于摩擦力，自行车就会匀速运动啊，这是学过初中物理的人都明白的。上面的情况就好像是车轮与地面的摩擦力与自行车运动的速度有某种关系了。因为物理学研究的结论是滑动摩擦只与接触面材料性质、粗糙程度和正压力有关，没有特别说与速度有关。当然，车轮与地面的摩擦不仅是滑动摩擦，还有静摩擦和滚动摩擦。即使这样，也难以在自行车运动速度与摩擦力之间建立什么关系。

图5－8　充电（电动）自行车

于是，为了节省体力，就尽量提高自行车行驶的速度吧，这样可缩短时间完成同样距离的跨越。只要条件允许，一到公路就骑上自行车使劲蹬车，让车速尽量大——反正骑快车和慢车克服的阻力是一样，快骑还可以早点到达目的地。但是这个看似合乎逻辑、合乎科学的推理好像与人们的实际感觉并不一致。慢骑就是省力，而骑快车每蹬一下都很费力。

这样相悖的推理令人困惑——是科学道理出了毛病还是人们发力的感觉成问题？其实都不是，而是认识问题的视野和分析问题的方法有点问题。

之所以出现这样的问题，是忽略了空气阻力作用的缘故。低速运动时空气的阻力影响小，可忽略，而高速运动时空气的影响大，就不能忽略了。地面的摩擦阻力是恒定不变的，而空气阻力不是一成不变的，速度低时的阻力很小可以忽略，速度高时，阻力就会变得很大，就不能忽略了，而且会成为影响速度的主要因素。

原来，流体的阻力有它的规律，气体等流体对运动物体的阻力是随速度的变化而变化的，速度越大，阻力越大。阻力和速度不是成正比的，当气体与物体某一个面摩擦时，阻力与速度的平方成正比；当气体与物体各个面都摩擦时，阻力与速度的6次方成正比。显然，当自行车的速度变为原来2倍的时候，空气的阻力增大到原来的64倍；速度变为原来的3倍时，空气阻力变为原来的729倍。所以，自行车运动员要把成绩再提高一点十分困难。这已经不是体育的问题，而是物理的问题了。运动员要调整骑车的姿态，减小迎风面积；运动员要穿紧身的高弹的服装，尽可能地减小阻力，还要戴上流线型的头盔。

传统的自行车车圈是靠辐条来紧固的，50多根辐条在空气中高速切割，凭空增添了多少阻力啊！怎么办？去掉所有的车条，换成一块圆板，这样增大了质量却减小了切割空气的阻力，可能也合算。

同样的道理，可以解释跳伞运动中的现象，自由下落的物体，速度越来越大，每一秒比前一秒的速度增大约10倍，一个人不张开降落伞，从2 000米高空落到地面上只需20秒，落地时的速度高达200米／秒。就如同一发炮弹打在地上，太危险了！然而，事实上，由于空气阻力，自由落体的物体的下落速度是要大打折扣的。设物体A和B从不同高度落下，如果A的初位置更高，那么达到同一高度时，A的速度就要比B的速度大。但是，它们在某一时刻的速度只是与它们下落高度的平方根成正比，而它们受到的阻力与它们的速度的6次方成正比。也就是说，A比B的速度快一些，但它遇到的阻力比B要大数十倍乃至上百倍，它的速度自然就会慢下来。所以，跳伞运动员自由下落的速度是50米／秒，把身体四肢张开，阻力增大，速度还会减小。这样花样跳伞运动员才可能调整位置，在不张伞的情况下，后跳的跟上先跳的，在空中编成美丽的队形。如果张开降落伞，下降速度就小得多了，落地速度只有6米／秒左右。