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皮膚での対流と汗の蒸発による熱損失は、このような低速での空気分子との摩擦による加熱効果よりも大きくなります.
人生のある時点で、移動中の車の窓から腕を突き出して、腕に心地よい冷たさが押し寄せてくるのを感じたことがあるでしょう。実際、車が速く走るほど寒く感じます。
かなり暖かい日には、この寒さは実際には非常に説明のつかないものです.結局のところ、腕が外側にあるとき、常に空気分子と衝突しています。この衝突は空力摩擦の原因であり、空気との摩擦は冷却ではなく加熱を引き起こすのではないでしょうか?
また、25,000 mph (40,233 km/h) で移動する宇宙船には、空力加熱による損傷から保護するための熱シールドが装備されているのに、60 mph (96.5 km/h) で移動すると腕が冷えるのはなぜですか?
問題の核心に飛び込む前に、摩擦、衝突、熱伝達の基本を理解することが重要です。
熱と相対運動の科学
摩擦:動くな
2 つの段ボール箱が重ねて保管されているとします。突然、両方の箱が反対方向に引っ張られます。特にスライド面がギザギザの場合、これらのボックスを引っ張るのは少し難しいです。これは、ボックスが互いに反対方向に移動するときに、ボックスの相対運動に抵抗する傾向がある力が存在するためです.
動きに抵抗するこの力は摩擦と呼ばれます .これは、ギザギザの表面が互いに噛み合っているために発生します。2 つの噛み合った表面を押すと、さらなる動きを可能にするために微視的な物理的変形が必要になるからです。
摩擦は液体の流れの中で観察することもできます。ご存じのとおり、液体は層状に流れます。地面と接触している最下層は最も遅く動き、最上層は最も速く動きます。最上部と最下部の間の層は、最上部の表面に対して速度を上げながら移動します。
この速度の違い レイヤーの相対運動 それらの間に、したがって摩擦力が発生します。この力は粘性と呼ばれます 流体力学用語で。一般的な用語では、粘性力は抗力とも呼ばれます .同様に、気体 (空気など) が流れると、液体と同じメカニズムで粘性力も発生します。
層の相対運動は、粘度とも呼ばれる層間摩擦の原因となります。 (写真提供:ScientificStock/Shutterstock)
上述の運動において、共通の糸は、相対的に移動する2つの平行な層の間の運動抵抗力の発達である。
摩擦熱
摩擦力は、互いに接触 (衝突) し、互いに対して平行に移動する 2 つのサーフェスの結果です。したがって、いくらかの運動エネルギー移動が発生します。この運動エネルギーの一部は熱エネルギーに変換されます。これは、2 つの表面の界面で温度を上昇させる原因となります。空気が表面に当たると、2 つのプロセスが発生します。
1 つ目は、表面に 正面から ぶつかる空気分子の停滞です。 表面の形状に起因します。空気分子のすべての運動エネルギーが失われ、静止したままになります (したがって、「停滞」という用語が使われます)。これにより、その領域の圧力が増加し、よどみ点と呼ばれます。単位時間あたりの熱量 q 、よどみ点では次の式で与えられます:
ここで、
h =局所熱伝達係数 (1 秒あたりの単位面積あたりの質量)
Hst =よどみ点での流体層のエンタルピー
Hw =壁のエンタルピー (熱力学的壁は、物質移動が発生せず、エネルギー移動のみが発生する、流体の流れの方向に平行な仮想面です。この場合、壁は固体表面です)
Tw =壁の温度
=放射係数
再突入モジュールの前面にある熱シールドは、大気摩擦による空気力学的な加熱により光ります。 (写真提供:Marc Ward/Shutterstock)
2 番目のプロセスは、空気分子と表面の間のある角度でのかすかな衝突です。空気分子はさまざまな角度で表面に衝突しますが、それらのほとんどは表面に平行に移動し、かすかに接触して離れます。分子の運動エネルギーは高いままです。これが発生する表面上の領域は、低気圧勾配領域と呼ばれます .低圧勾配領域での単位時間あたりの熱伝達量は次の式で与えられます:
ここで、
HR =境界層回復エンタルピー (境界は、表面と接触する空気層です。回復は、高速による圧力損失を測定します)
残りの用語は(i)と同じです
空気による加熱効果 (空力加熱) は、(i) と (ii) の合計です。
摩擦熱は、マッチ棒の赤リン コーティングに着火する原因となります。 (写真提供:Pxhere)
Wind Chill:Thou Shalt Feel the Freeze
体は約 97oF ~ 99oF (36.1oC ~ 37.2oC) の深部体温を維持します。真夏のピーク時を除いて、周囲の気温は 30℃近くかそれ以下にとどまり、私たちの体温よりも低くなります。外部の空気が肌に触れ、身体(高温)から空気(低温)への熱移動が起こります。暖かい空気の薄い層が皮膚の近くに形成され、さらなる熱損失から断熱します。
ただし、空気が流れると、入ってくる冷たい空気によって常に暖かい層が押しのけられます。体が周囲の空気に熱を失い、周囲の空気が冷たい空気によって押しのけられ、再び暖められるという熱損失の連続的なサイクルが発生します。その結果、皮膚温度が低下し、寒さを感じます。これは風冷と呼ばれます .また、腕に汗をかくと、動きの速い空気が皮膚からの蒸発速度を速め、さらに多くの熱損失を引き起こします。
「感じる」温度は、高速の風によって引き起こされる皮膚の余分な冷却を考慮に入れています。 (写真提供:Hadrian/Shutterstock)
空気の流れが速ければ速いほど、風の寒さは大きくなります。
単位時間あたりの熱伝達量 Q によって与えられます:
ここで、
h =対流熱伝達係数
A =対流にさらされるエリア
Thot =より熱い物体の温度
Tcold =冷たい物体の温度
空力暖房と風冷
両方の基本を学んだ後、頭に浮かぶ明らかな疑問は、これら 2 つのプロセスが互いに対立するとどうなるかということです。風の寒さが空力加熱に取って代わられる限界値は?
対気速度が増加すると、対流熱損失率が増加し、体はより寒くなります。この熱の損失は、亜音速 (音速よりも遅い) で続きます。超音速限界を超えると、加熱効果がはるかに支配的になり、マッハ 2.0 (音速の 2 倍、1534 m/h =2469 km/h) を超える速度では、高温 (400oF) から保護するために熱シールドが必要になります。 /204oC)。加熱効果は車両のジオメトリにも依存するため、普遍的なしきい値はありません。一般的な観測結果として、マッハ 1.0 (1235 km/h または 767 m/h) を超える速度では、露出した電気機器に損傷を与えるほどの熱が発生します。
元の質問に戻ります。はい、動きながら腕を温めることは可能ですが、動いている必要があります かなり 実際に空気力学的な加熱を引き起こすのが速い!