问题

存不存在一个刚好的气流速度,与人的皮肤摩擦生热刚好会感到温暖舒适?

回答
这个问题问得很有意思,也很有探讨的价值。我们身体作为一台精密的“生物机器”,对于外界环境的细微变化总是能做出反馈。而气流速度和皮肤摩擦带来的温度感受,恰恰是这种互动中一个非常微妙且重要的环节。

要说“刚好”感到温暖舒适的气流速度,这其实是个相当复杂的问题,因为它涉及太多个体差异和环境因素,很难给出一个放之四海而皆准的数字。但我们可以从几个角度来深入分析,看看是什么让我们的皮肤感受到这份“刚刚好”的温暖。

首先,我们需要明白,气流本身并不产生热量,它之所以能影响我们的体感温度,主要在于两个方面的作用:

1. 对流换热: 我们的身体时刻都在产生热量,体温是37摄氏度左右。当空气流动时,它会带走皮肤表面的热量。速度越快,空气接触和带走热量的效率就越高。这就像你站在原地不动,突然一阵风吹过,你会觉得凉快,这是因为空气带走了你皮肤表面的热量。所以,从这个角度看,适度的气流是会让我们感觉“凉爽”的,而不是“温暖”的。

2. 摩擦生热(我们重点讨论的): 这才是问题的关键。当空气流过我们的皮肤时,确实会产生微小的摩擦。这种摩擦力来自于空气分子的运动与皮肤表面的相互作用。如果这个气流速度足够快,这种摩擦就会在皮肤表面产生热量。

那么,怎样才能找到那个“刚好”让我们觉得温暖舒适的气流速度呢?这里面有几个关键的决定因素:

环境温度是基础: 想象一下,在一个冰天雪地的环境里,即使有再小的气流摩擦,也难以抵消身体自身散发的热量和周围环境的寒冷,你只会觉得更冷。反之,在炎热的环境中,即使你感觉到一些气流摩擦带来的微弱热量,身体的散热需求可能会让你觉得这股气流是来帮忙散热的,并不会让你感到舒适的温暖。
所以,“刚好”温暖舒适的气流速度,前提是环境温度已经接近或者略低于我们身体感到舒适的温度范围。 比如说,在一个2025摄氏度的房间里,我们会觉得比较舒适。在这种环境下,我们需要的是一点点的额外“助力”来填补温度上的空缺,而不是需要对抗寒冷。

皮肤的散热与吸热平衡: 我们的身体会不断地向外界散热,尤其是在静止状态下。皮肤作为我们与外界接触的媒介,它的毛孔、血管的舒张程度,都会影响散热效率。当环境温度较低时,我们的身体会通过血管收缩来减少散热。
这时候,如果有一股不强不弱的气流,它在进行对流换热的同时,又通过摩擦在皮肤表面产生了微量的热量。如果这股摩擦产生的热量,正好能够弥补身体散失到空气中的一部分热量,并且这种热量的产生方式是“温和”的、不突兀的,那么我们就会感觉到一种恰到好处的温暖。

气流速度的阈值和感知: 人的皮肤对微弱的温度变化非常敏感。当我们感觉到“温暖”时,通常意味着皮肤表面的温度略有升高,或者我们正在失去的热量被有效补充。
对于“摩擦生热”这个概念,我们需要理解它产生的热量是相对微小的。我们通常认为的“风”带来的凉意,是因为对流带走了热量。但当空气流动速度很慢时,这种对流带走热量的作用会减弱。这时候,如果速度稍稍增加,摩擦力的存在感就会显现出来。
我个人猜测,这种让我们感到温暖舒适的气流速度,可能是一个非常轻柔的微风,可能在 每秒几厘米到十几厘米 的范围(比如,用手在脸前轻轻扇动,而不是用风扇全速吹)。这个速度下,空气与皮肤的接触是持续且温和的,摩擦产生的热量虽然不多,但足以在局部皮肤区域形成一种持续的、温和的温度升高感。它不会快到让你觉得“被风吹拂”的凉意,也不会慢到完全没有感知。

湿度也扮演着重要角色: 湿度会影响我们的热散发。高湿度会阻碍汗液的蒸发,让我们感觉闷热。而低湿度则会加速蒸发,让我们感觉凉快。所以,在不同的湿度环境下,同一速度的气流带来的体感也可能不同。例如,在空气干燥的环境下,即使有微弱的摩擦生热,如果空气过于干燥,你可能还是会觉得有些干冷。

心理和生理的综合感受: 除了物理上的热量交换,我们对“温暖舒适”的感受,还包含了心理层面的因素。想象一下,在微风习习的春日,暖阳照耀,偶尔掠过一丝轻柔的微风,这种感觉无疑是舒适的。这不仅仅是温度,还有“自然”、“舒缓”等心理感受的叠加。因此,如果气流的声音、触感都是令人愉悦的,那么我们对“温暖舒适”的阈值也可能相应提高。

那么,有没有一个具体的数值呢?

如果一定要尝试给出一个大致的范围,我倾向于认为,在我们相对舒适的环境温度下(例如2025摄氏度,湿度适中),能够让我们感受到轻微、愉悦的摩擦生热的“刚好”气流速度,可能是在 0.1米/秒到0.5米/秒 这个区间。

0.1米/秒(10厘米/秒): 这是一个非常轻柔的微风,你可能几乎感觉不到它的“吹”,但如果你的手在脸前缓缓移动,你能感觉到皮肤表面有微妙的触感。在这个速度下,摩擦生热非常微弱,更多的是空气与皮肤的接触感,但如果它能稍微弥补身体散失的热量,就可能带来一丝“温润”的感觉。
0.3米/秒(30厘米/秒): 这个速度已经能让你明显感受到空气的流动,但又不足以产生明显的凉意。在一些暖和的日子里,这样的微风拂过,可能会让你感觉皮肤表面有些许的“温热感”,这可能就是摩擦生热的贡献开始显现出来。
0.5米/秒(50厘米/秒): 很多人认为,风速超过这个数值,就会开始感受到明显的“风”,并伴随凉意。在这个速度下,对流换热的作用可能开始大于摩擦生热带来的温暖感。

当然,这些都是非常粗略的估计,实际感受会因人而异,也会受到衣物厚度、皮肤状态(比如是否干燥)、身体活动水平等多种因素的影响。

总而言之, 确实存在一个气流速度的区间,在特定条件下,它可以通过轻微的摩擦在我们的皮肤上产生足够温和的热量,以一种“锦上添花”的方式,让我们在接近舒适的温度环境中,感受到一份额外的温暖和舒适。这个速度不是一个固定的数字,而是多种因素共同作用下的一个动态平衡。它更像是一种温和的“触碰”,而非强烈的“吹拂”,在满足我们体温调节需求的同时,也带来了一种令人愉悦的感官体验。这就像是自然界偶尔送来的,一份恰到好处的、带着温度的问候。

网友意见

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直接先上结论,大约在640公里每小时。

事实上,高速空气生热并不是主要来自摩擦,而是压缩[1]

我们知道,当不光滑的物体在黏性流体中移动时,物体和流体都会被加热[2]。高中物理会学到,物体与空气或其他气体作高速相对运动时,克服空气阻力做功,摩擦力转为热力,或者说机械能转化为内能,即摩擦生热,整个过程产生的热量Q=fd。但这个公式只能解卷子上的习题,基本上无法来解决题主的问题。

到了大学学了三大力学,我们知道,上面这个过程,被称空气动力加热(简称气动加热)。在物体表面的边界层上,高速气流损失的动能转化为热能,使得气流的温度上升,并对物体加热。在超音速飞行中,飞行器周围的空气因受剧烈压缩而出现高温,是气动加热的主要热源。飞机在设计的时候就要考虑“热障”的问题[3]

这个计算是比较复杂的[4],我们用异常简化的模型来试试看。

首先假设边界层气体完全损失动能,环境温度20摄氏度(294K),空气密度(在低马赫数下)1.3kg/m³,忽略皮肤表面汗液蒸发及松弛下坠形变等而是一个平面,舒适温度为37摄氏度(310K)(这里因为高速气流会迅速带走皮肤热量,所以辐射散热已经不是主要散热方式,对流和蒸发会迅速降低体温,所以舒适温度不再是通常说的20度左右),将空气压缩简化视为双原子气体的绝热压缩(双原子气体的绝热指数取1.41),简单粗暴的套用可逆绝热过程方程(事实上要比这个复杂得多[5]),则有:

其中T1和T2表示系统的始态和终态的温度(单位为K).

再次简单粗暴的套用滞止压力表达式:

上面两个式子一合体,就有了:

按上面的假设,我们T1取294,T2取310,代入上式,

v=175米/秒

其实不用这么麻烦,我们直接套用气动加热的温升公式算一下:

其中Cp就是空气的定压比热容,取1kJ/ (kg*K)。将T1取294,T2取310,代入上式,得

v=178米/秒

换算一下,大概就是640公里每小时。(当然,如果环境温度更低,那这个速度将更高)。


从公式中也能看出,随着速度的提高,温度会以二次方的幅度升高[6],参考下图所示:

实际上,真实世界要复杂的多,比如说,在高速运动中,氮气和氧气的振动激发会导致比热容变成是温度的函数[7],而不再是一个常数(因为流体的一些动能转换为了振动能)[8]

这个风速有多大?

640公里每小时是什么概念?肯定比跑车要快了[9],也比飞机的起飞速度[10]要快的多。

90斤的人在70公里每小时的风中就会被吹跑[11],所以记得要把自己绑在树上先。

我们知道,地球上最大风速出现在南极洲的维多利亚地区,最大的风速达100米/秒,也就是360千米/小时。所以想在野外站着不动就把风给摩擦了是不现实了。

地球上最快的动物应该算是游隼了,它能以每小时322千米的速度俯冲,如果把它穿上羽绒服扔到南极,。。速度叠加一下,嗯,。。。

算了,太麻烦,这个速度差不多就是比飞机巡航速度低一点。但考虑到飞机是在万米高空上飞行,那里的空气温度要低得多,所以要找架贴地飞行飞机,站上面,差不多就会觉得温度舒适了。记得涂点润肤霜,因为大风会夺走皮肤上的天然油脂,暴露的皮肤会变得干燥、发红和疼痛,看上去很像晒伤[12],几天后它还会剥落。(哦,对了,还没有考虑皮肤成分被烧蚀热解而吸热,空气热玛吉?)


如果想了解关于飞机是否会升温,可以在点赞后看一下我的这个回答:

他们都说多放一点小姐姐的图片可以增加点击率和点赞数,不知道我上面这个小姐姐的照片能不能行。

参考

  1. ^ 高速运动时,压缩是温升的主要因素,摩擦是次要的;低速时这两者都无法显著升温。
  2. ^ 压缩变形对应正压力做功,称为压缩生热;剪切变形对应粘性力做功,称为摩擦生热。
  3. ^ 热流密度可以用Lees简化公式计算
  4. ^ 在300-3000K之间,正常应用驻点热流的工程计算方法,也就是Fay-Riddell公式
  5. ^ ( )=316sin2 [(1−1 ∞ 2∞)sin2 +1 ∞ 2∞]12× ( ) // 麻蛋,注释写不了公式?// 可以计算在给定飞行弹道后,通过飞行马赫数,攻角和大气参数计算出来流参数,即可快速计算出特征部位的气动热。 http://www.srmcad.com/?p=9124
  6. ^ 吕丽丽, 高超声速气动热工程算法研究 . 西北工业大学,2005.2.
  7. ^ 姜贵庆,刘连元,高速气流传热与烧蚀热防护,国防工业出版社
  8. ^ https://www.grc.nasa.gov/WWW/BGH/realgas.html
  9. ^ 全球限量100台的SSC Tuatara在2020年10 月份挑战 “世上最快量产车” 吉尼斯世界纪录,创下 508 公里/时的纪录。
  10. ^ 一般在200-300公里/小时
  11. ^ https://wxguys.ssec.wisc.edu/2020/04/20/strong-winds/
  12. ^ 易法军, 猛松鹤, 梁军等, 防热复合材料高温体积烧蚀模型. 哈尔滨工业大学学报

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