重新设计圣诞老人的雪橇以提高空气动力学效率

圣诞老人的传说中，少不了这位“快乐老精灵”神奇的交通工具。圣诞老人的雪橇由高飞的驯鹿拉着在空中飞驰，是圣诞节民间传说的标志，也是圣诞老人强大力量的象征。圣诞老人驾着雪橇，一夜之间飞遍了全球的每一户人家。那一定是一辆非常符合空气动力学的雪橇，对吧？

在《大众科学》杂志，我们想知道圣诞老人的雪橇在高空飞行的表现如何。因此，我们与虚拟仿真软件专业公司 ANSYS 合作，请他们模拟圣诞夜雪橇在空中飞行时空气如何流动。该公司对电影《精灵》和《圣诞老人》中出现的两种传统雪橇版本进行了气流模拟。这些模型还考虑了车辆周围的空气量以及它们的速度，保守估计为每秒 150 米——相当于商用飞机的速度。

大家一致得出了这样的结论：驯鹿必须极其卖力地拉着笨重的雪橇飞翔。

ANSYS 高级流体产品线经理 Gilles Eggenspieler 向《大众科学》杂志表示：“我们直接计算了雪橇的阻力，阻力非常大。我们实际上观察了气流的模式，发现有很大一部分区域气流绕过了雪橇，并在其后方重新循环。”

阻力，通常称为空气阻力或流体阻力，表示阻碍运动物体的空气动力。当运动的固体与流体（液体或气体）接触时，就会产生这些力。当飞机在空中飞行时，飞机的每个部件都会产生阻力，使飞机更难向前飞行。制造商的工作就是设计飞机，使其产生的阻力尽可能小。

圣诞老人的雪橇形状不规则，这使得圣诞老人难以有效地在空中飞行。

这很大程度上与形状有关。“世界上最符合空气动力学的形状是雨滴落下时的形状，”Eggenspieler 说。“前部是一个非常大的半圆形，然后平滑地汇合在一个点上。你会在飞机机翼上看到同样的形状：前部是一个半圆形，然后机翼逐渐变细成非常符合空气动力学的形状，因此气流很好地遵循了形状。”

另一方面，锯齿状或非流线型的形状会产生很大的阻力和阻力，因为它们会导致气流突然改变并向上推物体。这就是为什么许多飞机和汽车通常都是弯曲而平滑的，因为车辆产生的阻力越小，克服任何阻力所需的力量就越小。但是圣诞老人的雪橇形状变化很大，这使得圣诞老人很难在空中有效飞行。

在模拟模型中，这些线条直观地展现了雪橇周围气流的路径。空气分子围绕着形状流动，流向物体后面的区域。在那里，气流实际上被吸入雪橇后部并重新循环，从而形成一个低压区域。“物体想要向低压区域移动，所以基本上这个区域想要把雪橇拉回来，”Eggenspieler 解释道。

这意味着鲁道夫和他的团队必须加班加点地对抗这个低压区域产生的阻力。

发现这一点后，我们想为这些辛勤工作的驯鹿伸出援助之手。所以我们请 ANSYS 设计一款圣诞老人的雪橇，外观要现代得多。考虑到泪珠形状，ANSYS 开发了一款更加光滑、圆滑的雪橇，更像跑车，而不是圣诞老人的复古装扮。

流畅的线条消除了旧雪橇设计产生的 90% 的阻力，使空气在车辆周围流动得更顺畅。事实上，新雪橇的空气动力学性能非常好，可以承受超音速。ANSYS 还增加了一个有盖的驾驶舱，这样圣诞老人在穿越寒冷的平流层时就不会着凉，还增加了一个隐身功能，确保孩子们在穿着红色衣服的爷爷送礼物时不会发现他。不客气，圣诞老人先生。

帮助圣诞老人升级雪橇类似于 ANSYS 帮助汽车公司设计最省油的车辆。所有制造商都希望降低油耗，但汽车仍然需要实用。如果最佳空气动力学设计是水滴形，那么最省油的汽车就没有空间容纳后座乘客，甚至没有后备箱。汽车公司必须在考虑所有这些限制的同时，找到一种让汽车符合空气动力学的方法。

“这就是模拟成为关键工具的地方，”Eggenspieler 说。“他们可能有上千种想法和上千种不同的设计；你不可能把它们全部进行测试。但你可以把它们放到计算机中，然后虚拟地进行所有测试。”

也许圣诞老人该使用虚拟模拟了。长远来看，他的驯鹿可能不会那么暴躁。

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