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张雪挑战吉尼斯纪录:“水上漂”的流体力学

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就在刚刚,张雪机车在湖南麻阳锦江河完成了一项吉尼斯世界纪录挑战。

张雪驾驶MX450改装摩托车,完成40.74公里水上行驶,成功刷新改装摩托车在开阔水域行驶最远距离吉尼斯世界纪录。

这不是他第一次把摩托车骑向水面。2009年,22岁的张雪在浙江武义尝试骑车滑过水面,四次尝试,最远只滑出约20米。

17年后,团队备战三个月,整车迭代了6轮,完成全新的吉尼斯纪录。


把摩托车骑上水面非常炫酷,但是摩托车的密度比水大,它为什么能被水拖起来,还能稳定的行驶几十公里呢?

而“水上漂”的秘诀就藏在流体力学中。

01

水怎么托得住一辆摩托车?

回想一下小时候玩的打水漂:找一块扁平的石块,尽力甩向水面;石片靠速度和角度,从水面借到了一次次托举。

回想一下小时候玩的打水漂:找一块扁平的石块,尽力甩向水面;石片靠速度和角度,从水面借到了一次次托举。


但和石片的“一触即跳”不同,摩托车必须在水上连续滑行。

摩托车下的滑水板以一个小角度迎向水流,把一部分水往下压。水被压下去,反过来就在板底形成一片高压区。这些压力合在一起,是一个斜向上的力:向上的分量托住车,叫作动升力;向后的分量拖住车,就是阻力。滑水、快艇,用的都是这个道理。



水的“托举能力”其实大得惊人。水的密度约是空气的800倍,同样的速度、同样大小的板,在水里得到的托举力,大约是在空气里的800倍。这就是为什么飞机需要一对大机翼,而高速滑行的船只靠一小块船底贴着水面。

按报道中窄板车型的极速约90公里/小时;据估算,水流的动压约为 ½×1000×25² ≈ 31万帕,相当于每平方米承受30多吨的力。滑水板只需把其中很小一部分转化成升力,就足以托起人和车。

02

轮胎不碰地,靠什么往前跑?

托得住,只解决了一半问题。滑水板压水的同时会受到阻力,波浪、飞溅和尾流也都在消耗能量。没有持续推进,车很快就会慢下来。

在公路上,轮胎向后推地面,地面给它向前的牵引力。到了水上,推的对象换成了水。公开的改装介绍显示,特制后轮可以拨水推进。

后轮转动时,凸起的结构像一片片小桨,把水向后推,水则给车一个向前的反作用力。发动机的功率,就这样经过传动系统和后轮,交给了水。



滑水板管“托”,后轮管“推”,但两者分不开。后轮吃水太浅,拨不到足够的水;吃水太深,阻力和功率消耗又会上升。而吃水深浅,又取决于车身被托得多高。

车后那条长长的水花尾巴,是车和水交换动量留下的痕迹。不过水花大不等于推得好,有相当一部分能量,变成了飞溅、波浪和杂乱的尾流。

03

速度很关键,起步最艰难

动升力对速度非常敏感。用一个简化的关系来表示:

L = ½ρV²*S*CL

其中 ρ 是水的密度,V 是相对水流的速度,S 是参考面积;CL 是升系数是反映一个物体在流体中所受的向上托举力的无量纲参数,这里可以通过优化板形和姿态进行调整。就像的飞机的升力系数一样,改变攻角和翼型的形状,升力也会变化。

从公式可以看到:速度是关键,如果升力系数不变(即板型的面积和姿态不变),速度降到八成,动升力只剩约六成四;速度减半,升力只剩四分之一。



麻烦在于,升力一减弱,后面的事情会连着发生:车体下沉,更多部件泡进水里,阻力变大;如果推进力补不上,速度会继续下降,升力进一步减小。


起步,要先翻过一座“阻力峰”

更反直觉的是,从“泡在水里”到“滑在水面”的过程中,阻力并不是一路增加的。快艇起步时船头高高翘起、船尾拖出大浪,那正是最吃力的阶段:船体还没被托起,大部分泡在水里推着水走,还要爬自己造出来的波。一旦速度够了、船体被抬起,浸水面积变小,阻力反而会回落。


所以我们能看到张雪在昨天的测试中,从岸上加速后冲入水面,借陆地完成加速,直接以足够的速度跨过这段最难的阶段。但入水那一刻,动力、姿态和水动力支撑必须无缝衔接,只靠那点惯性,是跑不远的。

04

跑起来之后,还得稳得住

如果一块板加一脚油门就能解决,这件事早就有人做成了。真正难的是:水面在动,车的姿态也在动。

板子多大,才合适?

张雪的次团队带了宽板和窄板两种改装车,正式挑战用的是窄板车型。

一般来说,宽板支撑面积大,低速更容易托起来,但阻力和飞溅也更大;窄板阻力小,跑得更快,但需要更高的速度才能托住,对姿态也更敏感。板的大小,要和重量、动力、目标速度一起权衡。

车头抬多高,才稳?

滑水板迎水的角度,既决定托举力的大小,也决定它作用在哪里。如果托举力的作用点在重心前方,车头会被抬起;在重心后方,车头会被压下。骑手前后移动身体,其实就是在挪动重心,和水的托举力“找平衡”。


遇到波浪,怎么办?

波浪会让接触面积和迎水角度突然变化,托举力也跟着忽大忽小。一侧先碰到浪,车身可能倾斜;板面短暂离水,支撑又会骤减。骑手要随时调整油门、重心和方向,设计上也要给这些调整留出余地。

既要让水托得住,还要让车在被扰动之后,有机会重新稳下来。

05

漂几十米,和跑几十公里,差在哪里?

短距离成功,说明车能在一段时间内维持支撑和推进。距离一拉长,发动机的持续输出、传动负荷、防水、散热、油量和结构耐久性,都会开始影响能跑多远。

操控的负担也会累积。一个小毛病,几十秒内骑手或许能硬扛过去,持续几十分钟就可能耗尽体力。据报道,初版改装车难以操控、极耗体力,经过6轮迭代才稳定下来。

张雪还提到,早期仿真的边界条件设得不准,算出来的数据和实测有偏差,后来靠一次次下水实测,才把计算修正到贴近真实。


这也是工程里最朴素的一条路:把车开进水里,看它怎么抬头、哪里溅水、什么时候难以控制,再回去修改。一次次下水,才把“理论上能跑”,变成“能更久、更稳地跑”。

06

张雪机车冲进河里的那一瞬间无疑最令人兴奋。可要让这一幕持续下去,需要许多事情同时成立:滑水板托住车,后轮推动车,骑手稳住姿态。速度、重心或水面稍有变化,这些力就得重新找到平衡。

水没有变化。是速度、姿态和一套反复打磨过的结构,让水托起了这辆摩托车。

而张雪的极致热爱和中国制造再一次闪耀世界吉尼斯纪录!

来源:LBM与流体力学

编辑:nerou987

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