一辆在顺风中、被风吹着跑的风力车能超过风速、跑出逆风吗？扯淡还是物理学不可思议？

一辆在顺风中、被风吹着跑的风力车能超过风速、跑出逆风吗？扯淡还是物理学不可思议？

未来怎样利用风能发电,风能循环利用发电,我们能利用风能做什么英语　　不只是普通大众，很多专家也认为这是荒谬的无稽之谈、违背了基本的物理规律。这个想法来源于一个古老的难题：一艘帆船能否超越漂浮在风中的气球？也就是说，帆船能不能跑得比风更快？还能超过风速数倍？从上一篇文章中我们已经了解到，现代帆船采用与机翼类似的弧形帆，利用侧风产生的强大升力可以超越风速的数倍航行，采用之字形路线进行折返迂回，就可以超过风中漂浮的气球。

　　未来怎样利用风能发电,风能循环利用发电,我们能利用风能做什么英语但这个效果并不完美，如果帆船以和气球同样的路线直接顺风行驶，就永远也无法超过风速，这种赢法似乎不是那么的正大光明，气球憋屈的表示你们人类作弊。不过，这个世界上从不缺乏挑战脑力的狂人，1962年出生的里克·卡瓦拉罗就是其中之一。他想到的是，若将地球变成一个圆柱体，帆船就不用走之字形路线折返了，只要绕着圆柱体以螺旋形路径航行就可以了。但这样的路线也不是与风向重合的，若将圆柱体进一步理想化，让它变得非常细，就可以完全的顺风行驶了，气球好像就没啥说的了吧。。。

　　里克敏锐的认识到，如果制造一台风力驱动的螺旋桨车辆，在陆地上顺风行驶就能够超越风速。他在2006年兴奋的把这个想法发布到了互联网上，当时正是各种兴趣论坛盛行的年代，令他没有想到的是始一提出就炸了锅。一些空气动力学家、物理学家、大学教授都提出了反对意见，认为这违背了基本的物理规律、是不可能实现的。其中也包括他大学的老师，不过当他成功之后校长发来了祝贺信。在大面积的讨论过程中，里克自然也受到了无数嘲笑和侮辱。反对者中还有一位这个领域中的著名人物，就是花费10年时间设计建造了5辆风帆动力车（绿鸟），最终创造了202.9公里时速、超过风速约3倍世界纪录的詹金斯。

　　反对者最主要的观点是，在顺风行驶过程中，当车速达到与风速相同时，对于车辆来说此时的风速为零，而从零风中是无法获得动力的、也就不可能继续加速。

　　在航行中零风被认为是绝对障碍，就像光速一样不可逾越，如果风力车在零风中还能获得动力继续加速行驶，岂不是要成为永动机了？超过风速时，就产生了逆风形成阻力，反而会将风力车吹得倒退，此时若是还能逆风继续前进，怕是永动机都会汗颜。。。这难道是卡通物理学？实际上，20世纪40年代，密歇根大学的一名学生也提出了与里克同样的方案，不过获得这个思路的过程可能不同，因为当时还没有设计出能够跑得比风还快的帆船。而道格拉斯飞机公司的首席空气动力学家史密斯和风洞工程师鲍尔博士，在1969年就此打了个一美元的赌，鲍尔认为可以实现，史密斯不相信，于是鲍尔在业余时间建造了一个简单的装置并写了一篇分析论文。

　　据说鲍尔的简易风力车可能短暂的达到了1.1～1.2倍风速，可惜的是年代久远与之相关的记录文档也太少，虽然走访鲍尔的亲戚朋友了解到史密斯确实付钱了，但互联网上几乎没有人相信鲍尔真的做到了。一位退休的机械工程师古德曼有了一个想法：把它制造出来让反对者闭嘴。

　　但是，这位老工程师制造的小车实在是太简陋了，起动时还得用手使劲推一下，虽然从他发布的视频中可以看出，绑在车上的布条在静止时是飘向右面的、行驶中转为飘向左面，也就是从顺风开始加速超过了风速出现了逆风。不过老先生连一位证明他的车不是行驶在下坡路段的知名人物都没有，自然也就没有多少人相信这个结果。科幻小说作家、个人制作方面的著名MAKE杂志以及美国有线电视台的前撰稿人普拉特，2007年制作了一个古德曼版的小模型，用一个强大的风扇来吹动，结果差不多每秒9米的风速只让小车以5厘米的速度移动。普拉特将详细过程写了一篇文章发表在MAKE杂志上，宣告顺风超越风速是一个妄想、这整件事情就是一场骗局。毫无意外的，看到文章以后，始作俑者里克出离的愤怒了。。。拥有航空航天工程学位的里克，是在经过周密计算的情况下确信自己的想法肯定会奏效的，而不是仅凭想象。里克与同事兼好友博顿都是痴迷于风力运动的超级爱好者，他们决定亲自制造一个有效的模型来证明自己。

　　他们用跑步机来模拟车辆在地面以与风相同的速度进行移动，在松开手后如果小车向跑带相反的方向移动的话就超越了风速。如果用一个复杂的参考系进行分析的话，他们的实验结果是有效的，但比较难于理解。遗憾的是，跑步机小车与真实世界差距过大，显然不会有多少人相信。路易斯安那东南大学的物理学家雷特，通过自由能分析认为他们什么也得不到。但是，麻省理工的空气动力学家马克教授，在2009年初进行了计算和分析，认为在陆地上实现里克的方案是完全没有难度的，在水中也是可行的。里克与博顿表示，如果只有少部分人不认同他们的跑步机结果，那么就没什么好困扰的，但现实是几乎99%的人都在反对，遭到的质疑和嘲笑越来越多。这二位终于痛下决心，一定要建造一个真实的、全尺寸的大家伙，让人们看到它究竟是如何成功穿越零风障的，于是他们开始寻找赞助商。在这场旷日持久的讨论中，一些硅谷极客和大佬也参与了进来，其中就包括谷歌的联合创始人拉里·佩奇。有钱的感觉还是比较好，佩奇掏了1万美元，乔比公司的贝维尔特出了5000美元，把它造出来跑一跑，让大家看看究竟如何？在圣何塞大学航空航天工程部门的帮助下，里克与博顿花了6个月时间，使用胶合板、泡沫、碳纤维、玻纤布和改造的自行车零件建造了这辆别具一格的螺旋桨风动力车：黑鸟。

　　虽然动手能力如此之强，但他们工作的Sportvision体育媒体效果公司，其实是一家软件公司，里克是首席科学家、博顿是总工程师。

　　万事俱备，只欠顺风！激动人心的时刻终于到来了，2010年里克驾驶黑鸟在16公里时速（三级微风）的顺风中跑出了44.6公里的速度，达到了风速的2.8倍！这是由北美陆地航行协会监督和认可的测试纪录。在视频中，从随行车辆上的风力仪器可以看出，静止的时候风力强、风向与黑鸟前进方向一致；随着黑鸟的加速风力逐渐减弱，风力为零时表明黑鸟达到了风速；之后风向转为相反的方向、表明黑鸟超过了风速产生了逆风；然后风力又开始逐渐变大，表明黑鸟在逆风中越跑越快。

　　在使用随车飘带的测试中，效果更为直观。静止时，红色的布条飘向车的前方；加速到与风速相同时，布条神奇的垂落下来，因为对于车辆来说此时的风力为零；之后超越了风速，布条就飘向了后方，这时出现了逆风。

　　感兴趣的可以看看上面这个使用飘带的测试视频，飘带垂落然后又反向飘起的过程非常有趣。

　　上图是黑鸟没有加装整流罩时的测试，可以清楚的看到，地面上绿色旗帜的飘向与车辆的行驶方向相同，也就是在顺着风向行驶；然而，车辆上红色的飘带却飘向了相反的方向，也就是说车辆超过了风速产生了逆风。黑鸟在湖床上进行测试时，当初反对者之一的詹金斯听到这个消息坐不住了，立即买了张机票租了辆车跑到现场去观看，真实场景终于令他信服了。

　　右面的是詹金斯，左面的是陆地风帆前速度纪录保持者鲍勃·迪尔，当时他驾驶的是“铁鸭”自此，里克与博顿终于从多年饱受的嘲笑与白眼中走了出来，成为备受欢迎的人物前往很多大学去做演讲，参加一些头脑集会。当然，最初称其为骗局的MAKE杂志也邀请他们就此撰写文章了。那么，最重要的问题来了，黑鸟为什么能在顺风中超越风速呢？这里面有一个容易忽视的关键前提：黑鸟的车轮不是由螺旋桨的旋转带动的，而是在车辆前进时，车轮的旋转驱动了螺旋桨转动。也就是说，车轮并没有驱动车辆、而是驱动了螺旋桨，螺旋桨上产生的力“推/拉动”车辆前进。车轮与螺旋桨之间是硬连接，踩住刹车、车辆不动的时候，无论风有多大螺旋桨都是不会转的。起动的时候，螺旋桨叶片就相当于静止的“帆”；松开刹车，“帆”在风力的作用下带动车辆前进，轮子随之开始滚动、驱动螺旋桨转动；螺旋桨转动产生的拉力让车进一步加速。所以，黑鸟若想要持续加速并超过风速，在整个加速过程中获得的拉力就必须要大于阻力。车轮是黑鸟由阻力驱动的发动机，它产生的功率在螺旋桨上能否转换为更大的拉力呢？我们先假设功率转换没有损耗，车率100%的传递到了螺旋桨上。车率=阻力×车速螺旋桨功率=拉力×螺旋桨空速阻力×车速=拉力×螺旋桨空速从上面的等式中我们可以看出，若想让拉力大于阻力，那么车速就必须要大于螺旋桨空速。

　　车速很容易理解，就是车辆或车轮相对于地面的运动速度；而螺旋桨的行进速度则是相对于空气的速度，因为螺旋桨上的拉力是由浆叶切割空气产生的，螺旋桨的功率仅与作用在它上面的力和在空气中移动的速度相关，与地面速度无关。在顺风时，只要车速超过了二分之一风速，那么车速就开始一直大于螺旋桨空速。黑鸟的螺旋桨是能够变距的，也就是说浆叶的角度能够旋转，在低速时尽量将其展平作为帆来使用，以车轮很小的滚动阻力来说，加速到二分之一风速以上很容易。在此之后，直至黑鸟超越风速的整个过程中，拉力就总是大于阻力的，所以黑鸟就会一直加速下去。随着车速的提高，里克会改变浆叶的角度，以发挥螺旋桨的最大效率。但在实际应用环境中，车率传递到链条上会有损耗，链条传递到螺旋桨上会有损耗，螺旋桨切割空气转换成拉力也会有损耗，随着车速提高车身的气动阻力与滚动阻力也会大幅度增加，所以在工程设计中如何提高各个环节的效率和性能就决定了车速能够达到多大。虽然计算越多看下去的人越少，但我们还是用里克的方法简单的算一下，可以更直观的看出拉力与阻力究竟会有多大的差距，就能理解为什么超越风速并不难。假设黑鸟已经顺风向超过了风速，此时车速为30米/秒，风速为25米/秒，那么螺旋桨空速仅为5米/秒、远远小于车速；假定车轮阻力为100牛。车率=100牛×30米/秒=3000牛米/秒80%传递到链条=2400牛米/秒80%传递到螺旋桨=1920牛米/秒80%的螺旋桨效率=1536牛米/秒螺旋桨拉力=1536牛米/秒÷5米/秒=307牛车辆驱动力=307-100=207牛由此可以看出，在超越风速之后，黑鸟的驱动力还是很强大的，可以继续加速。至于突破零风障的问题则根本不存在，因为零风是相对于车辆本身而言的，但此时螺旋桨已经达到了很高的转速，相对于浆叶来说空气的流动速度很高，可以产生很大的拉力。用功率转换来解释比较简单、直接，如果从力学角度来分析的话，螺旋桨的叶片与在侧风中航行并超越风速的船帆原理是类似的，只是帆船完全顺风航行的话无法超过风速，而螺旋桨叶片的旋转迂回的解决了这个问题。

　　黑鸟这种独特的工作方式，令其陷入了一个匪夷所思的无限加速状态，随着车速的增加，车轮转速就增加了，然后带动螺旋桨以更快的速度旋转，于是产生了更大的拉力让车速进一步增大。。。。。。理论上来说，的确没有限制，可以一直加速到地老天荒～～但在现实中，螺旋桨的效率是有极限的，不然就不用发展喷气发动机了，而随着车速的提高滚动阻力和空气阻力也大幅度增加，最终净驱动力与总阻力相平衡而达到最高速度。不过，黑鸟的独特性也带来了一个有趣的疑问：在没有风的天气中，用一辆汽车把黑鸟拖动到一个较高的速度，然后断开牵引绳，黑鸟会一直行驶下去吗？如果真是这样的话，那么永动机就真的诞生了，因为此时没有任何能量输入。显然这样是不行的，在零风中黑鸟会逐渐减速至停止（篇幅所限，就不对其中具体的工作原理进行详细解释了）。黑鸟之所以能够超越风速，是因为它在风和地球这两个具有速度差的运动物体之间源源不断的提取能量，没有风是不行的。就如同风力发电机将风的动能转换成电力一样，但这个过程损耗非常大；而黑鸟更像是一个机械式的反馈回路，将风能高效的直接转换为驱动力。理论上的速度上限，在于它将风和地球减速到相互之间没有了速度差的过程中，对能量的利用效率和阻力的控制。将风想象成刚性物体就容易理解了，车轮、传动变速机构与螺旋桨就是一组工作在风与大地之间的齿轮，通过轮径大小比例的不同来放大车辆的行驶速度，就像汽车的变速箱一样。

　　找一个杯子盖，将手指或笔放在上图中蓝色长方体的位置模拟风，然后小心的向前推动，看看杯盖是不是比手指移动得更快？那个黄轴直径越大滚得就会越快，但手指若是放在上面为什么就不行了呢？

　　杯盖每旋转一周，就比蓝色长方体多前进一个黄轴的周长，黄轴内部还可以再设计加速的变速齿轮系统就能更快，直到阻力与推力相平衡。空气虽然不是刚体，但是螺旋桨的功率转换效率在一定的速度范围内是非常高的。

　　既然黑鸟能够顺风超越风速，那么逆风表现如何呢？里克没有满足于之前的壮举，他又改造了黑鸟。逆风行驶的原理就与顺风完全不同了，这回得需要桨叶的旋转来带动车轮了，所以首先得把螺旋桨更换为能被风吹着转动的涡轮，就如同风车一样，然后将对抗扭矩的、较长的那一侧车轴换到相反位置上。2012年，里克驾驶黑鸟在逆风中跑出了2.1倍风速的纪录。逆风超越风速比较容易理解，因为涡轮是由风力驱动的，所以只要车辆开始前行、相对风速就开始加大，增大的风速进一步提高涡轮的转速与扭矩，通过传动变速机构让车轮更快的转动，车辆的速度随之增加。这也是一个循环加速过程，理论上没有上限。但为什么顺风约三倍、逆风只有两倍了呢？顺风三倍减去风速，黑鸟实际上还是以两倍的逆风速度行驶，这说明了黑鸟的滚动、气动与传动设计的性能极限如此。若是能进一步优化，速度纪录还是可以再提高的，例如使用能够变形的螺旋桨，可以在更宽泛的速度范围内获得最佳效率。黑鸟在完成挑战直觉的极限任务后，里克没有地方存放也不想把它拆了，于是以1575美元的价格挂在eBay上出售了，最终竞价中标的买家花了5120美元买走了。

　　设计、建造绿鸟的詹金斯，儿童时代就是一个热衷于帆船的超级航海爱好者；里克在达到能够合法驾驶的年龄之前拥有一辆汽车，偷偷跑进一条尚未开通的高速公路上开到了200公里，16岁时获得了飞行员驾驶执照，他拥有一架特技飞机，博顿是一位获得过多枚奖牌的滑翔机飞行员。这些痴迷于风的极速男人，对于速度的挑战与浓厚的兴趣，为我们带来了物理定律在自然中运用的生动案例，令人大开眼界！

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