阻力

阻力（又称后曳力或流体阻力）是物体在流体中相对运动所产生与运动方向相反的力。
对于一个在流体中移动的物体，阻力为周围流体对物体施力，在移动方向的反方向上分量的总和。而施力和移动方向垂直的分量一般则视为升力。因此阻力和物体移动方向恰好相反，像飞机前进时会产生推力来克服阻力的影响。
在航天动力学中，大气阻力可以视为太空飞行器在发射时的低效率，其影响则是在发射时需要额外的能量，不过在返回轨道时大气阻力有助于太空飞行器减速，可减少减速额外需要的能量，不过大气阻力产生的热量甚至可以将物体熔化。

**分类**
阻力一般可以分为以下几类：
*寄生阻力（parasitic drag），包括
**形状阻力（form drag）
**摩擦阻力（skin friction drag）
**干扰阻力（interference drag）
*诱导阻力（induced drag）
对于高速（或高雷诺数）的流场而言，一物体的阻力的特性可以用一个无因次的阻力系数来描述，配合阻力系数，可以用阻力方程式来计算阻力。若阻力系数为一常数，阻力约和相对速度的平方成正比，因此需克服阻力需要的功率则和速度的立方成正比。

**高速时的阻力**
NASA对阻力的解说
阻力方程式可计算物体在较高速（雷诺数）流体下的阻力，此阻力也称为二次阻力或平方阻力。此方程式是由瑞利勋爵所提出，提出时用（代表某特定长度）代替，物体所受的流体阻力如下：

其中
 为阻力
 为流体密度
 为流体相对于物体的速度
 为阻力系数，为一无因次的参数，像汽车的阻力系数约为0.25至0.45
 为参考面积
参考面积一般定义为物体在运动方向上的正交投影面积。对于形状简单的物体（例如球），参考面即为截面。有时会使用其他的参考面积来定义一物体的阻力系数，此时需特别标明使用的参考面。
以机翼而言，若阻力及升力使用的参考面积相同，阻力及升力的比值（升阻比）即为阻力系数及升力系数的比值，在比较阻力及升力的大小时最为方便。因此机翼阻力系数的参考面积一般会是机翼的翼面积（即机翼沿垂直方向的投影面积），而不是沿飞行方向的投影面积。
若物体有光滑的表面，在流场中没有固定的分离点（例如球或圆柱），其阻力系数会随着雷诺数而变化，甚至在雷诺数很高（其量级到107）时也是如此。若物体有在流场中有固定的分离点（例如一法向量和流场方向平行的圆盘），在雷诺数时，阻力系数不随雷诺数而变化。若物体不是球对称，阻力系数也是流场和物体本身对称轴夹角的函数。

**自由落体的速度**
一物体在在时间时的初速，在非浓稠的介质落下（因此不考虑介质的浮力），其速度可以用以下的双曲函数表示：
:
在很大时，双曲正切函数其函数极限值为1，因此上述的速度有一渐近值，称为终端速度：
:
对于形状接近球形、平均半径为、密度为的物体，终端速度约为
:
若物体的密度接近水（如雨滴、冰雹、鸟、昆虫等）差不多，在接近海平面的地表落下，终端速度约为
:
其中
 的直径，单位是公尺
为速度，单位为m/s。
例如人体（ ~ 0.6 m）其 约为 70 m/s，体型接近猫的动物（ ~ 0.2 m）其 约为 40 m/s，小鸟（ ~ 0.05 m）其 ~ 20 m/s约为 40 m/s，而昆虫（ ~ 0.01 m）其 ~ 9 m/s。
非常小的物体（例如花粉）在低雷诺数流体中的终端速度可以用斯托克斯定律来描述。
较大的生物其终端速度较高，因此从高处落下时致命的可能性也较高。例如老鼠和人分别以各自的终端速度坠落时，老鼠其存活的可能性会比人高很多。若蚱蜢以其终端速度坠落时，可能甚至不会受伤。生物大小和其终端速度的关系，以及其肢体截面积和身体质量间的比例关系（一般称为Square-cube law）可用来说明为何有些小动物从高处落下时不会受伤。

**雷诺数很低时的阻力**
斯托克斯阻力，而绿色物体受到牛顿阻力。
当物体在雷诺数很低，没有紊流（雷诺数）的流体中移动时，其受到的阻力称为黏滞阻力、线性阻力。此情形下，阻力大约和速度成正比，但和速度方向相反。黏滞阻力的方程式如下：
:
其中：
 为一常数，和流体特性及物体尺寸有关
 为物体和流体的相对速度
若一物体由静止状态落下，其速度为
:
其速度会趋近终端速度。若为定值，较重的物体会较快落下。
对于小的球形物体缓慢的通过黏性流体（因此雷诺数很小）的情形，斯托克斯推导其阻力常数如下
:
其中
为物体的当量球径
为流体的黏滞系数
例如，考虑一半径 0.5 微米（直径=1.0 µm）的球形物体以10 µm/s的速度通过水中。依上式可得其阻力为0.09 pN，这也就是细菌游过水中所受到的阻力。

**空气动力学中的阻力**
飞行中飞机所受到的空气阻力。分成四大类。分别是摩擦阻力、压差阻力、寄生阻力及诱导阻力。
其中摩擦阻力、压差阻力、寄生阻力与速度的平方成正比，诱导阻力则与速度的平方成反比。飞行阻力是这四种阻力的合成。

**诱导阻力**
诱导阻力和升力的关系
诱导阻力（或称感应阻力）是指飞行体在产生升力时，一并衍生的阻力。诱导阻力包括二个主要组成成分，一个是因为涡流而产生的阻力（涡流阻力），另一个则是额外产生的黏滞阻力。在飞行体通过空气时，其上表面及下表面的气流压强不同，但在飞行体尾端，上方及下方不同压强的气流会混合，产生紊流及涡流。
在其他参数不变的条件下，当飞行体产生的升力增加时，其诱导阻力也随之增加。对飞行中的飞机而言，这表示在飞机失速前，当其攻角及升力系数增加时，其诱导阻力也随之增加。当失速时，升力及诱导阻力都突然下降，而此时飞行体表面形成独立的紊流，造成寄生阻力中的黏滞压差阻力上升

**寄生阻力**
寄生阻力是一物体在一不可压缩流体中移动所受到的阻力。寄生阻力中包括由秥滞力产生压强差的阻力（形状阻力）以及因表面粗糙度产生的阻力（表面摩擦阻力）。若物体附近有其他相邻近的物体，会产生干扰阻力，有时也会视为寄生阻力的一部份。
在低速飞行时，由于维持升力需要的功率较大，飞机的攻角较大，其产生的诱导阻力也较大。不过当速度提高时诱导阻力随之下降，而流体相对物体的速度提高，因此寄生阻力会变大。若速度已到达穿音速，波动阻力也随之出现。其中速度提高时，诱导阻力下降，其他阻力却随之上升，因此总阻力会在某一速度时出现最小值，若飞机以此速度航行，其效率会等于或接近其最佳效率。飞行员会以此速度来使续航力最大化（使油耗最小化），或是在引撃故障时可以使滑翔距离最大化。

**飞行时的功率曲线**
功率曲线：寄生阻力及诱导阻力和速度之间的关系
可以将寄生阻力及诱导阻力相对速度的特性曲线绘制在同一图上，此图在航空学中称为功率曲线。功率曲线可以让飞行员了解不同速度下，飞机飞行所需要输出的功率，是非常重要的曲线。
功率曲线中寄生阻力及诱导阻力有一交点，交点处的阻力总和最小。交点的右侧为正常控制区，当速度越高时，维持定速需要的推力越大。交点的左侧为反向控制区，此区域的功率特性恰好与一般直觉的认知相反：当速度越低时，维持定速需要的推力越大。夂当速度越高时，维持定速需要的推力越大。若飞机的速度低于此交点对应的速度，会出现一个不符合人类直觉的特性：当速度越低时，维持定速需要的推力越大。

**跨音速及超音速的波动阻力**
阻力系数与音速的关系示意图
波动阻力（压缩性阻力）是指一高速物体通过可压缩流体时所出现的阻力。在空气动力学中，依飞行速度的不同，波动阻力也可分为几种不同的组成成份。
在跨音速飞行（马赫数介于0.8及1.4之间）时，波动阻力是飞行体形成激波后的结果。一般会出现在出现局部超音速流（局部流体马赫数大于1.0）的区域。实务上，当飞行体较音速低很多，但加速时部份区域的空气速度超过音速，就会出现局部超音速流。因此飞机附近的气流既有超音速流，也有低于音速的亚音速。飞机在跨音速飞行的正常运作过程中常会产生波动阻力，这种波动阻力常称为跨音速压缩性阻力。当马赫数接近1时，跨音速压缩性阻力会显著的上升，远大于同速度下的其他阻力。
在超音速飞行（马赫数大于1.0）时，会在飞行体的前缘及后缘出现斜激波。若速度非常高，或是飞行体转弯角度够大时，则会出现舷波（bow wave）。在超音速飞行时，阻力一般可以分为二个成份：超音速升力相关的波动阻力，及超音速体积相关的波动阻力。
是一种特殊型式的飞行体，当依其设计速度航行时，完全不产生波动阻力，不过它本身无法产生升力。

**达朗伯特悖论**
位流理论是18世纪最能解释非黏性流的理论。但1752年时法国物理学家达朗伯特依位流理论，推导到位流下其阻力为零的结果，此结果和实测结果矛盾，因此称为达朗伯特悖论。
19世纪时科学家圣维南、纳维、斯托克斯开始用纳维－斯托克斯方程来分析黏性流。斯托克斯推导了一球形物体在雷诺数很低的流体中的阻力，其结果即为斯托克斯定律。
纳维－斯托克斯方程在高雷诺数时会趋近非黏性流的欧拉方程式，此时可以用位流理论进行分析，得到阻力为零的结果，但所有在高雷诺数下进行的实验，均证实阻力的存在，和位流所得的结果矛盾。科学家也试着找出除了位流以外，欧拉方程在非黏性定常流的解，不过没有什么进展。
1904年德国科学家普朗特依理论及实验的结果，提出了边界层的概念，也说明了高雷诺数流体为何会产生阻力。

**相关**
 降落伞- 流体力学- 附加质量- 空气动力- 攻角- 边界层- 康达效应- 阻力危机- 阻力系数- 阻力方程- Kc数- Morison equation- 寄生阻力- 冲压力- 雷诺数- 失速- 斯托克斯定律- 终端速度

**脚注**

**参考资料**
 isbn=0393099709- isbn=0-534-40842-7- isbn=0-7167-0809-4

**外部连结**
 Educational materials on air resistance date=20160106032902 - Aerodynamic Drag date=20070812225237  and its effect on the acceleration and top speed of a vehicle.- Vehicle Aerodynamic Drag calculator date=20110912170145  based on drag coefficient, frontal area and speed.