物体在介质中运动动力的原理
                                                                                                            ——海洋动力

志勰

本文对水中的运动物体的动力和阻力进行了分析。


    大家都知道,轮船或者潜艇在海里的航行速度较慢。这主要取决于海水对船体的阻力较大。所以到现在,海洋上的交通工具和陆地上的交通工具相比,其速度仍然是非常漫的。但是,海洋交通工具有一定的优势,载重量大,跨洋间的物资交流是必不可少的。那么有没有办法使船体航行的速度较快呢?

    我想这依赖于海水对船体的阻力以及船体自身的动力。减少海水对船体的阻力和增大船体自身的动力是可以做到的。下面我们就针对两种情况来对海洋动力进行可行性的分析一下。

一、减少海水阻力的方案

    1、海水阻力形成的原因

    如图:

hydl-1.gif (6757 字节)

    图一是物体在水中运动的正前方水的流动情况、图二是物体在水中运动、图三是物体运动后方水运动的情况。

   第一种原因:水压形成的阻力

      由于水是一种具有确定质量和结构的物质,其特点是具有流动性。因此当物体在水中运动时,水由于自身的惯性而阻止物体的运动。物体会给与它前面的水一个推斥力,推开它前面的水运动。如图一。同时,使物体运动前方水压增大。(关于水压,我在这里解释一下,这个水压是绝对水压,本文中提到的水压,其含义都是绝对水压,它所指的是水标示的水的物理状态。其意义是水的自身和外界的作用程度。水在大气中存在,没有任何气体或物体给与水施加压力的状态,我这里把这种水的状态〈水压〉叫做一个大气压。)。同时,在物体运动的后方(图三),由于物体向前运动,和物体后面接近的水由于自身的惯性,物体向前运动所形成的没有水的空间需要它周围空间的水去补充,这样在物体运动的后方,水压会减小。请注意,这个水压对船体的作用结果是使船体向前方运动。但这个压力在船体在水中静止时最大。等于船体周围的水的静止状态的压力。

   物体在水中运动,水压所形成的阻力可以认为是主要的阻力,在低速和低压范围,物体侧面的摩擦阻力可以略而不计。当然,即便在高速和高压状态,船体侧面的阻力相对来说也是非常小的,但却不能略而不计。在船体的运动过程中,船体运动前方的水压和船体后面的水压处于一种动态的平衡中,因此我认为可以采用水压的模式进行计算。

   船体前方的水压和船体后方的水压依赖于船体和水的相对速度,由于水自身具有惯性,根据牛顿运动定律,我们可以得到船体受到的这种阻力同船体的运动速度成正比。(可以从船体在运动时,船体前方的水压给与船体的作用力以及船体后方的水压给与船体的作用力方面来进行这个问题,这里就不进一步探讨了)

  另一方面,船体所受到的阻力和船体在运动方向的截面即有一定的关系,当然这个的截面积越大,船体所受到的阻力越大。由于现在在海上航行的船体都采用流水线的模式改变船体的规则结构,这样便不能对这个问题进行讨论了。对于相同规则的船体,船体的截面积越大,船体所受到的阻力越大。

第二种原因,摩擦形成的阻力

   如图:

hydl-2.gif (2099 字节)     图中所画的是物体在水中运动时,物体周围水的流动特点。从图中我们可以看到,水在流动过程中所造成的摩擦力只可能发生在运动物体的前端和中端,尾部的截面不会造成阻力。

    我们知道,水流所形成的摩擦阻力在低速状态下只和水压有关。前面我们已经说明过这个问题。那么我们在这里只要进行一下外推就可以了。即:在水中运动的物体,它所受到的摩擦阻力同物体和水的相对速度成正比。

   在图中,物体前端的水流动速度同物体和水的相对速度不是相同的数值,物体前端的水的流动速度要略大于物体相对于水的运动速度。根据流体动力学我们很容易得到这样的结论。

2、水温和水的阻力的关系

    我们知道,水是介于气态和固态之间,具有流动性。因此它是介于气态和固态物质属性之间的一种物质形态。具有分子的可流动性和体积不可压缩性两大特点。我们知道,水分子在不停的无序运动,并且以水的温度所标示的气体分子的运动速度在运动。液体的粘滞系数和液体的温度有一定的关系。随液体分子运动速度的增加而减小。水的流动性很好(通常所说的水的粘滞系数很小)。我们知道,当物体在水里运动的时候,水的粘滞系数增大会造成水对船体运动的阻力增大。我们可以得到这样的结果:当水温升高的时候,随着水分子运动速度的增加,那么会使水的粘滞系数减小。我们可以对这个结果进一步的外推,可以得到,船体在温度较高的水面上航行时,在相同速度状态下,船体受到的阻力会减小。反之,当船体在温度较低的水上运动时,船体受到的阻力会增大。当然,在温差十几度范围内,水的粘滞系数不是很明显,因为水在0度时的粘滞系数本身很小。但这样的关系还是存在的。

3、船体阻力的分析

   我们已经探讨了在海水中运动物体所受到的阻力情况,那么我们现在来探讨如何减少海水对运动船体的阻力。

   一种阻力是由船体运动前方和后方海水的压力差造成的。另一种阻力则是海水给与船体的摩擦造成的。并且船体在海水中运动则主要是这两种阻力。因此,我们只要排除这两种阻力就可以了。这里我们就先来看看什么样的情况下,海水给与船体的阻力最大,什么样的情况下,海水给与船体的阻力最小。

   海水给与船体的阻力最大的情况

   如果采用我们在如上的的分析来看待船体在水中所受到的阻力,那么,船体运动前方还后方所受到的海水的压力差则是最主要的阻力了。我们来看看沿船体运动方向等截面的船体的形状和船体所受到的阻力的关系。如图:这个图我画的并不标准,应该是将球切掉一半的形状。

hydl-3.gif (2249 字节)     通常认为图中的形状的物体在水中运动受到的阻力最大。我们来分析一下:

    当物体在运动时,物体必然要占据水所占据的空间,那么必然要将水推离开原位置。我们知道,物质据有惯性,那么这就造成水压增大。物体推来它运动前方的水,造成物体边缘A处的水的压力和密度最大。

    另一方面,由于物体向前方运动,那么物体原来所占据的空间责成为空的了,由于水存在水压,那么,必然会造成一部分水去补充这部分空间体积。这就促使在物体B出的水压和密度最小。

   A处的水压最大,B处的水压最小。这样,就会形成水的较高速度的流动。另一方面,在A向B的流动过程中,还会形成一种阻力。这种阻力会阻碍船体向前方的运动。其数量为水流沿AB面的阻力和(船体运动方向和AB面水流运动方向角度的余玄)的乘积。

   船体的两个A位置连线是一个平面,并阻止所有这个平面运动方向的前方的水不能从这个平面通过。因此运动方向的水所给与阻止船体运动的压力最大。

   形成阻力最大的原因是主要来自于如下几点:第一点,物体运动前方的形状是一个平面,这样在船体运动前方水压最大,这个水压和船体的作用是阻碍船体运动。第二点,水流从A点到B点水的运动存在较大的阻力。这个力也是阻碍船体向前运动的力。第三点,则是船体后方水的压力减小。这个压力是使船体运动的力。

4、传统减少船体阻力的方案

   减少船体在水中运动的阻力可从上面我们谈到的三点进行讨论:

   第一点:不能将船体在水中沿运动方向的截面的前面做成平面的形状。这样可以降低沿运动方向截面阻碍船体运动的水压所形成的阻力。这样可以使阻碍船体最大的作用力降低。

   第二点:使船体AB方向的阻力则不能降低,最大降低这种阻力的方法则是将船体的沿运动方向的后面做成平面的形状,那么这样则必然使船体后方的压力最小。这个阻力和船体前方和后方的作用相比可以略而不记的,因此对这个作用力通常不做处理。

   第三点:船体后方的水压则尽量增加。

   如上三点在传统的技术方法处理上,通常采用对船体加工的方法进行处理。即:通常将船体做成流水线的形状。如图:(我画的不标准)

hydl-4.gif (1586 字节)

   那么除了如上的方法之外,是否还存在其它的方法么?回答是肯定的,有。这就是一种海洋动力方案。请参见利用船体前后水压的压力差工作的船体动力设计。

   二、常规在水中提供的动力模式

   在水中提供动力方案通常都采用通过螺旋桨来实现。可以认为通过螺旋桨推动船体运动。如图:

hydl0-1.jpg (10975 字节) hydl-5.gif (1445 字节)     当螺旋桨在水中旋转的时候,螺旋桨拨动水流的运动导致在螺旋桨的两个面上会形成压力差。从而使螺旋桨获得确定方向的作用力。在技术应用上,通常都是将螺旋桨安装到船体的后方。

    虽然,采用螺旋桨的模式可以大大的提高船体的

动力,虽然改变船体成流水线的模式,但是这样的船体设计结构,对于在水中较高速度航行来说,还是存在很大的缺点。这个缺点就是船体的阻力仍然是很大的。

     前面我们已经探讨了船体的阻力问题。螺旋桨的旋转会造成船体后方的水压降低,减少船体的推进力。当然,也可以看作螺旋桨将船体后方水的给与船体的推进力转移到螺旋桨上。但毫无疑问,船体在运动过程中速度越快,那么由于螺旋桨旋转所造成的,船体后方水压给与船体的推力越小,或者换句话说,阻力也大。

     我们现行的船体动力结构都是采用这样的模式,由于随着船体运动速度的增加,船体的阻力也会相应的增加,并且船体的主要阻力是船体的前方和后方的水给于船体的压力差。在船体达到一定的速度之后,很难再提高船体在水中的运动速度。

除了水压之外,船在水中运动还可能存在的另一种动力模式

    在水中航行的物体的速度主要面对一个阻力和动力问题。减小阻力和提高动力都会使船体在水中的航行速度增加。形成船体在水中航行阻力的主要水船体在运动前后方所形成的水压。因此,可以采用水压作为动力的模式。

  我们来看这样一个例子:

hydl-6.gif (1308 字节)     如图:我们将一个柔软的水管A端接到水龙头上,另一端放到地面上。

      当我们将水管开得不大时,水从水管的B端缓缓的流出。但倘若我们将水管开到最大时,水从水管的B端快速流出,这时水管开始发生扭动。这是思静先生提到的一个现象,但他并没有给于解释。

   如果我们从水压上来看待这个问题,我们丝毫不能来解释这个问题。因为A端的水压和B端的水压近乎是相等的。密度、压力状态也近乎相等。水完全可以通过水作为介质,将水压所形成的力传递到A端。那么B端所获得的这个作用力是从哪里来的。这样,无疑是一个悬案。

   首先,压力源是从A端开始的,水管中的水从A端注入。水在水管中高速流动,由于压力很大,水的流动速度也很快,那么水对水管必然产生一个摩擦阻力。这个摩擦阻力使水管受到一个作用力的方向向B端的作用力。水管受到的这个作用力显然不是刚才我们发现的那个使水管扭动的作用力。

   从水的状态上来说,水在水管中是一种高压高密状态,水从B端管口喷出后,由于水分子自身作用力的存在,那么,水的物理状态要恢复到一个大气压状态。(空气给于水作用的压力是一个大气压状态)。这样,水从高压高密状态到一个大气压状态,这种压力之差会使水在水管口产生加速的行为,并产生一个反作用力(反冲力)。这个压力一部分就施加在B端管口的截面上,另一部分则施加在管口的水里。由于水从高压状态到正常状态,那么它的体积要变大,很自然的,这个阻力则主要施加在B端管口的截面上。另一方面,水是液体,是难以压缩的,表现为刚性力。因此看不到水压缩前后的区别,在每一个分子施加这种作用力的过程中,时间也是极短的。当这个作用力远大于水在管口运动给于水管的阻力时,水管则发生观察到的扭动现象。

   这个现象说明,水从一种高压状态,到低压状态过程中,除了产生正常的压力外,还会产生加速水的作用力。如果我们将上图中的管子看作在水中的一个船体,并且这个船体从B端向A端方向运动。那么这个船体的推进力则是A端的水在由于水压在A端产生的作用力,加上水管B端的水从高压状态到正常状态所产生的这种作用力。

这个事实说明,水和船体间的作用,除了采用水压的方法外,那么采用水从一种压力到另一种压力仍然也可以获得一定的动力。

   2001.5.19


发布时间  2001.5.23日    发布人:志勰      发布站点    物理科学探疑