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流线型

物体在流体中运动时所受的阻力,是由内摩擦和涡旋两个原因所造成的。在速度很小时,阻力的大小主要决定于内摩擦。在速度较大时主要决定于涡旋,速度越快,涡旋的作用越大。为了有效地减小阻力,就要设法避免涡旋的形成。通过对鱼类的游泳进行观察,发现凡是游得快的鱼,如带鱼、鲨鱼等,都具有一种特殊的雪茄烟式的形状。又通过大量实验得出结论,把物体做成这种形状,的确能减小涡旋作用或避免涡旋的形成,因而大大地减低了流体对它的阻力。这种形状叫做流线型。这种流线型设计构思。已广泛应用于飞机、潜艇、汽车和轮船等,高速运动的武器,如鱼雷、炮弹、炸弹等制造时,都做成流线型,以减小阻力 [1]

流线型(streamline)是表面处气流没有明显分离的物体形状。流线型物体相对气流运动时,所受气流阻力最小。近代小轿车车型都设计为流线型,其迎风横截面积尽量小,车灯、后视镜、门把手以及车窗等装置与车身浑然一体。 流线型汽车在气流中的阻力可降低到一般车型的60%,效果最好的是低矮型的赛车,其阻力可降低到普通汽车的27% [2]

流线型物体降低气流阻力的力学原理是: 物体在空气中运动时所遇到的阻力可粗略分为摩擦阻力压差阻力诱导阻力。前两种阻力与物体的外形及相对空气运动的方式有关,第三种阻力则由升力产生。对于汽车的运动,以前两种阻力为主。由于空气具有粘滞性,贴附在物体表面的一层空气相对物体静止,称为附面层。与附面层紧邻的一层空气受到粘滞作用而被物体牵动,反过来通过附面层对物体施以反作用,此反作用力与物体运动速度方向相反, 称为摩擦阻力,其大小与物体相对空气速度的平方及表面积成正比。压差阻力由气流的压力形成,它与物体表面气流的情况有关。根据伯努利原理,物体表面的气流压强与气流速度有关。如图1所示,在小轿车的正前方,气流速度最小,压强最大;后面气流速度逐渐加大,压强逐渐减小,直到压强变为零,甚至出现负值;再往后,气流速度又逐渐减小,使压强回升。如果汽车外型设计适宜,使表面层气流能贴着汽车表面流向后方,流速随之降低,压强随之加大的结 果,有可能使汽车后半段所受气流向前压力抵销前半段所受气流向后压力,使压差阻力几乎降低为零。事实上表面层气流并不完全贴着汽车表面流向后方,表面层气流与物体的分离将使压差阻力加大。分离的气流速度不再降低, 压强也不再升高,分离得越早,压差阻力越大。 流线型汽车的表面气流无明显分离,故压差阻力最小。

采用流线型汽车可节省大量燃油。汽车在行驶中大部分燃油用于克服各种阻力。对四座位小轿车进行风洞试验的结果表明,用于正常行驶的汽油只占总耗油量的31%,其余均用于克服空气的各种阻力。改变这种状况有两种途径:一是改进汽车的机器结构,以减少内部摩擦与热量损失;二是减少汽车行驶时的空气阻力。目前普遍认为前者困难较大,经济上也不合算,而采用流线型的外型则比较容易,收益也较大 [2]

流线型,或适合于快速流动的形状,不管是对于船、潜水艇,还是对于飞机,都很重要。一种设计糟糕的船只,如方形的驳船,在行驶时会激起巨大的水波,增大行驶阻力。这些激起的水波被称为涡流。流线型的设计能够避免这些涡流的出现。

如类似潜水艇那样的流线型的船只划过水面时,它会将水向两边推开。水流在经过流线型的船只后,又合拢恢复成原样,不会另起波澜。流线型前圆后尖就像一艘潜水艇。科学家给水加上一种颜色,以便观察水流在流过不同形状的物体时会产生怎样的变化。这一道墨水条会匀速行进,直至它碰到物体才会改变形态。然后墨水条能够预示水流撞击物体后的形态以及涡流产生的大小。

鲨鱼身体有很好的流线型形状。也就是说,它们能够不费吹灰之力,轻松自如地在大海里畅游。鲨鱼圆滑的体形几乎不会引起水体的波动,因此它的猎物通常都是在一片惊愕中被捕杀掉。它们流畅的体形能够让鲨鱼想要启动加速的时候,在水中飞速行进所以当许多潜水员发现它们游弋在周围时想要逃跑却已经太迟了 [3] !

“流线型”的起源可以追溯到19世纪对自然生命的研究,以及对于鱼、鸟等有机形态的效能的欣赏。后来这些观念被成功应用到了潜艇和飞艇的设计上,以减少阻力。到1900年“泪滴”状已作为最小阻力形状而被接受,并在第一次大战前后用于小汽车的外形设计上。1921年一位在德国齐柏林工厂工作的匈牙利工程师保罗加雷(Paul Jaray)开始在风洞中试验“流线型”汽车模型的空气动力学特性,他所试验的形式对于两次大战之间欧洲的汽车设计产生了深远影响,从增加速度和改善稳定性两个方面为“流线型”提供了科学的解释。“流线型”原是空气动力学名词,用来描述表面圆滑、线条流畅的物体形状,这种形状能减少物体在高速运动时的风阻。但在工业设计中,它却成了一种象征速度和时代精神的造型语言,从而广为流传,它不但发展成了一种时尚的汽车美学,而且还渗入到家用产品的领域中,影响了从电熨斗、烤面包机到电冰箱等的外观设计,并成为20世纪30~40年代最为流行的产品风格。美国20世纪30年代的经济危机是促使“流线型”这一新设计风格形成的重要因素之一。这种风格与当时的时代气氛、技术发展水平是很适应的 [4]

任何有关流行风格的讨论都不可避免地要涉及产品的商业化以及它们和消费者之间在心理学上的联系。早期的现代主义无视工业资本主义以市场为主导的消费特点,片面强调批量生产的民主理想和产品的实用价值。在最具商业气息的环境中产生的美国“流线型”风格正是给现代主义的清高的巨大冲击。“流线型”在实质上是一种外在的“样式设计”,它反映了两次世界大战之间美国人对设计的态度,即把产品的外观造型作为促进销售的重要手段。为了达到这个目标,就必须寻找一种迎合大众趣味的风格, “流线型”由此应运而生。大萧条期间产生的激烈的商业竞争,又把“流线型”风格推向高潮,它的魅力首先在于它是一种走向未来的标志,这给20世纪30年代大萧条中的人民带来了一种希望和解脱。在艺术上, “流线型”与未来主义和象征主义一脉相承,它用象征的表现手法赞颂了“速度”之类体现工业时代精神的概念。正是在这个意义上, “流线型”是一种不折不扣的现代风格。

除此之外, “流线型”的流行也有技术和材料上的原因。20世纪30年代,塑料和金属模压成型方法得到广泛应用,并由于较大的曲率半径有利于脱模或成型,这就确定了设计特征,无论是冰箱还是汽车的设计都会受其影响。 “流线型”与艺术装饰风格不同,它的起源不是艺术运动,而是空气动力学试验。有些“流线型”设计。如汽车、火车、飞机、轮船等交通工具是有一定科学基础的。但在富于想象力的美国设计师手中,不少“流线型”设计完全是由于它的象征意义,而无功能上的含义。例如1936年由赫勒尔设计的订书机就是一个典型的例子,它号称是“世界上最美的订书机”(见图3)。这是一件纯形式和纯手法主义的产品设计,完全没有反映其机械功能。其外形颇似一只蚌壳。圆滑的壳体罩住了整个机械部分,只能通过按键来进行操作。这里,表示速度的形式被用到了静止的物体上,体现了它作为现代化符号的强大象征作用。在很多情况下,即使“流线型”不表现产品的功能。它也不一定会损害产品的功能,因而流线型变得极为时髦 [4]

“流线型”是20世纪30年代很典型的一种产品风格,它主要源于科学研究和工业生产的条件而不是美学理论。新时代需要新的形式、新的象征,与现代主义刻板的几何形式语言相比, “流线型”的有机形态毕竟更易于理解和接受。因此,它与包豪斯的现代主义大相径庭。随着时间的推移,“流线型”风格已蔚然成风,遍及美国工业产品的各个方面。造成了消费者追逐潮流的购买热,是设计促进销售的一个成功例子。使“流线型”风格普及化的人物是雷蒙德罗维(Raymond Loewy,见图4)和诺曼盖茨等人 [4]


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