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风动力车跑得比风快的简单原因

已有 4340 次阅读 2021-7-23 18:21 |个人分类:一日三省|系统分类:科普集锦

   风动力车比风快、风动力车逆着风前进等等例子在网络上很热,很多人也不断探讨其中的原理,搞了一大堆的公式。我用很简单的话语讨论一下,想必也容易理解。

   理解这个问题的关键在于能量来源。通常的思维,风扇吹动空气,肯定要用电。在空气静止(相对地面)的情况下,风扇运转需要能源。不过,在有风的情况下,情况就变了。流动的空气本身就能量,比如说风力发电。

   利用风力发电机,不妨举一个极端的例子。让静止不动的风力发电机发出的电来驱动一辆车。风力发电机不动,只是通过一条很长的电力线连接小车。小车完全有可能比风速要快得多。

   如果以这个思路来扩展。假如有一辆小车,车上载着螺旋桨。不妨假如刮西风,空气向东吹。小车被风向东运动。设法使得螺旋桨转动,把空气向西吹;即螺旋桨转动后引得空气向西,即螺旋桨逆着风向吹,螺旋桨逆着风向吹螺旋桨的形状和转速肯定需要控制,不是把空气的速度变快,而是把原本运动的空气吹慢。运动的空气失去了动能。根据能量守恒,动能到什么地方去了?自然被螺旋桨吸走了。

   在空气静止的情况下,螺旋桨吹动空气,要损失能量。现在,空气不是静止的,而是运动着的,本身具有动能。运动的空气经过螺旋桨后,速度变慢了。螺旋桨不仅没有损失能量,还得到了能量,这就是风车的原理。风车的速度超过了风速,风自然无法再吹到螺旋桨。唯一的办法就是螺旋桨旋转。螺旋桨旋转推动空气向后,使得风变慢。能量自然还是传播到校车上。

   上面介绍了小车运动的能量来源。下一步就是设计这样一个小车。

   只要螺旋桨一直能够让风(运动的空气)变慢,就能一直可以获得能量。那就搞一个螺旋桨,向后推动空气,就如同飞机的螺旋桨。飞机有发动机,风动力车没有发动机,怎么办?

   风动力车有轮子,轮子前进必然要转动。螺旋桨与小车下的轮子联动,可以让转动的轮子带动螺旋桨旋转。接以上的例子,小车向东运动,带动轮子转动;轮子转动带动螺旋桨转动。由于螺旋桨的旋转,使得原本快速运动的空气,速度变慢。那么能量就被传导进小车,带动小车运动越快。风推动小车前进,让车轮转动,而轮子由于受到摩擦而转动,然后通过传动机制带动螺旋桨转动。螺旋桨转动,从而向后推动空气。

   最关键两点:1、螺旋桨转动的动力来自小车轮子的转动。

         2、通过螺旋桨的转动,运动的空气是失去能量,而不得到能量。风是运动的空气,本来是有能量的。螺旋桨通过转动,使得风速降低了。

   如果小车没有螺旋桨,风直接吹动小车,小车怎么也不可能比风快。可由于存在一个螺旋桨,就产生了变化。小车速度越来越快,只要螺旋桨的转动足够快,还是能够让运动的空气慢下来,从风中获取能量。

   在这里,有个非常关键的点。螺旋桨受到两个力,一个是风吹前进的力;另一个是让螺旋桨转动的力(如同风车)。

   这两个力互相拧巴着,那就是比大小了。而这就与小车的结构相关了。

   假设通过齿轮转化,让小车顺着风向走。小车不断加速,到了与风速一样的地方时刻。当风速与小车速度一致时。小车、螺旋桨相对于风是静止的。螺旋桨向后驱动空气,与原风向相反。由于螺旋桨的作用,以地面为参照物,风中的空气速度变慢了。原风速为5m/s(相对于地面),假如螺旋桨吹动的风速(相对于螺旋桨)是3m/s。两项叠加,风速将为了2m/s。风速度变低了,其中的能量被螺旋桨吸收了。

   螺旋桨在旋转过程中,本身会损失能量。可是螺旋桨受到风的推动,在快速前进,又会得到能量。风吹动螺旋桨做功,可是螺旋桨转动消耗功。只要前者大于后者,小车就能不断前进。如果从更微观分析,一个空气分子碰撞到螺旋桨上,如果速度变慢了,就是失去能量;如果速度变快,就会得到能量。而这就要看螺旋桨的转速和移动速度的综合效果了。这涉及到更详细的设计,不再继续讨论。以上也说明,螺旋桨的形状和转速需要仔细设计。

   本文就是讨论一种可行性和原理。说明风车完全可能比风速更快。


   小车.png




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