一,全入水状态

二,三分之二入水状态

三,半入水状态

四,三分之一入水状态

如果需要确切的形状,就用法棍形状的圆头长柱体为模型,类似潜艇。

另问,模型本身质量对速度的影响大吗


船体阻力主要有两部分,一个水的流体阻力,一个兴波阻力。前者取决于水下部分形状和迎水面积,后者由水线面形状和大小决定。

形状题主不care,暂且不管。

单就题主的问题,唯速度的话,在你能接受的「船」的定义下,水下部分越小,总体而言速度就越快。追求速度到极致,就是飞机——完全离开水面。

然而阿基米德告诉我们,你想要得到多少浮力,就得排开多少水。所以呢,要实现以上目的,我们不得不借助流体力学来替代浮力来对抗重力。

初级选手是水翼船,靠水下的「翼」抬升船体,无论水下部分还是水线面,都可以做到很小。当然这玩意设计和控制的技术含量都挺高。

还有「大力出奇迹」的气垫船,速度可以更进一步……缺点是不少功率都消耗在托起船体上了。

如果你不那么纠结定义的话,还有更快的——地效飞行器。这玩意算海军,一般都是在水上跑,但是形态上,已经跟飞机差别不太大了。这东西是快,但是也只有快了……

打住,再往上抬就真是飞机了……


当然是阻力最低的速度最快。

水下有两种阻力:粘滞阻力和压差阻力

要降低粘滞阻力,就要求湿表面积最小,如果是全入水,同等体积下表面积最小的就是球体。

要降低压差阻力,球形就不行了,因为会在前部形成高压区,在后部形成低压区。最好的是尖头尖尾的梭型。但是梭型又增加了湿表面积,权衡之下,还是圆头尖尾的拉长水滴形为最优解。

对,就是现代潜艇!

部分入水的话,又会增加一个兴波阻力。物体前进时会推起波浪,物体使前后产生了水位差,也就产生了水压差。要降低这种阻力就要避免把水向前推动,应该把水向两侧推开。那么前部最好的形状就是尖利的刀锋形状。

对,就是军舰。

但是刀锋形状船首的水下部分湿表面积又大了,阻力增加,那么就把水线以下的部位做成球形过度,然后向前突出,提前向两侧排水。

对,就是球鼻艏!

高速船型的话,就可以利用速度让船体抬升,尽量减小船体在水中的正面投影,同时减少湿表面积,这时候带有仰角的平板型最好,但平板压差阻力大,指向性差难以驾驭,于是就采用了带有仰角的浅V型。

对,就是快艇!

你看,所有的最优解都已经广泛普及成熟利用了,直接借鉴就好了要啥自行车?现成的东西不香吗?


据我所知,不是标准的流线体。水下如果单纯比速度,和空气中是不一样的。空气的主要阻力源是风阻,正比与截面积的风阻。所以,流线型是唯一选择。而水中,相当大的一部分阻力源是粘滞力。特别是速度高了以后的涡流阻力。所以,目前,人类知道的最好的在水中降低阻力的方法是空气泡。速度能提高很多,但唯一的缺点就是杂讯大,所以你在潜艇上看不到。哈哈。

漂浮态的物体,最好的方式是飞翼,常见的就是双体船结构,下面有飞翼,高速启动后,飞翼升力最大程度的把船抬离水面,这个我记得前几年香港那边还有这样的渡轮。速度挺快的,比冲锋艇块。

质量影响的是加速度,跟速度没有必然联系,只是达到最大速度的早晚问题。

再有,人类早前研究水下提速,在没有空气泡之前,有两种,一种是保持流线体,外表面涂润滑剂,比如鱼油,但是不经济。后来根据鲨鱼的皮肤发明了沟槽板,但最快的还得是空气泡。


这个东西,可以具体问题具体分析。

物体受力:4种。

浮力:铅直向上,与入水体积成正比;

重力:铅直向下,恒定。

推力:按题主说是固定的。如果题主想要某一个方向的运动速度,考虑将推力分解,分解出一个铅直力,一个沿运动方向的力。由于完全沉水前,浮力在变化,该分立应该是一个关于入水体积的函数。

前三种力,可以简单计算算出来。

那么,第四种力,就很坑人了,题主可知想一下,自己提出了多么难的问题。

首先看流体是什么流体。题主说了,是水。水是牛顿流体。

第四种力叫摩擦阻力。低速状态下,非管道流动。那么,流体阻力:

当合力为0时,物体在水中运动速率最大;

如果指定运动方向,完全入水后需要阻止铅直运动。如有铅直运动的加减速不同,结果也不同,这里就有些扯淡。

运动方向分力也为0时,运动速度最大。

按作用时间,求积分,这道题很坑


要么入水越少越好, 要么全入水.

部分入水的时候会有兴波阻力, 所以同样推力的潜艇在完全下潜时反而速度更快.

但是同样在部分浮起的时候, 因为水的粘滞力远大于空气(几乎没有). 所以有些高速艇还会有一个前翼让艇身在高速的时候吃水更浅.


推荐阅读:
相关文章