孩子们经常会问:“飞机为什么能飞起来呀?”
答案很简单:因为飞机有动能,并且有翅膀,动能产生向前的运动,翅膀产生向上的升力,所以飞机就能向上飞行了。
就这么简单吗?其实要细究起来,飞机飞行的道理挺复杂,并且我们之前学习的有些内容存在错误!我们今天就来详细地分析给你听。
飞行的力学飞机的飞行,说到底就是对于力学原理的运用。一架飞机停在地面上,它只受到两个力的作用,一个是飞机自身的重力,另一个是地面对它的支持力;重力垂直向下,支持力向上,两个力大小相等方向相反,所以飞机可以稳稳地停在那里。
静止飞机受力情况
我们想飞到天上,首先需要克服重力,让它脱离地面,这时候就需要用另外一种力来代替地面的支撑力,这个力就是升力。当升力大于重力时,飞机会向上爬升;而当升力与重力相等时,飞机会保持高度。
你可能想到了气球和火箭。气球里边的气体密度比外边的空气密度低,所以气球会产生浮力,浮力就是升力;火箭依靠火箭发动机向下喷气,喷射气流的反作用力也可以把火箭推向高空。
与气球相比,飞机很重,它的发动机推力也不如火箭大,所以飞机需要依靠机翼向前飞行。飞机的升力基本上是由机翼在空气中运动产生的。
当飞机在空中飞行时,它会同时受到四个方向力的作用:向下的重力、向上的升力、向前的推力和向后的阻力。
飞行状态受力情况
机翼的升力是如何产生的?飞机启动发动机,将空气向后边吹,这时候空气就会给飞机一个向前运动的力。就像你用力推墙,墙向你施加的反作用力一样,这两个力大小相等方向相反。
作用力与反作用力
飞机快速向前运动时,机翼会切割空气,机翼与空气之间的相互运动会产生升力。
关于升力的产生,我们以前许多的教科书里是这样描述的:由于机翼剖面的特殊形状,它的上方凸起而下方相对较平;当机翼在空气中运动时,机翼上方的空气流动的距离更长,在同样时间里机翼上方气流的速度更快;按照伯努利原理,气流流动的速度越快,它的压强越小;V1>V2,所以机翼下方的空气压力大于上方的力,机翼上升。
有些教科书用伯努利原理解释机翼升力
遗憾的是,这样的表述并不完全正确。
事实上,科学家们通过大量的风洞实验发现,空气团在机翼前端分离后,上图中蓝色箭头的气流并不是与下方红色部分同时到达,机翼上方的空气流速是机翼后方低压造成的结果而不是产生低压的原因,因此我们不能用伯努利原理来解释机翼的升力。
如果你是一个航空爱好者,会不难发现几乎所有的机翼横截面都是类似于水滴形的扁平形状,它的上部稍稍隆起,而尾端尖尖稍向下偏。这种形状有利于飞机以最小的阻力在空气中飞行。
图中展示了机翼的典型剖面形状
这种机翼形状的另一个作用就是偏转空气,从而使机翼获得向上的升力。
当空气从机翼上表面流过时,它会在机翼表面产生吸附力,这种吸附力使机翼上方的静压力相对较低;而从机翼下方流过的空气团由于机翼向上的迎角而产生较大的静压力;空气团在机翼尾端被迫向下压,从而使机翼自身产生方向相反的向上分量。于是机翼向上抬升。
机翼通过下压空气获得升力
飞机的飞行飞机的机翼是升力的主要提供者,但大多数飞机并不只有两个翅膀,它还有水平尾翼和垂直尾翼。尾翼主要起稳定飞行的作用,同时在尾翼上还安装了几个舵面,飞机通过舵的摆动来调节方向。
垂直尾翼上安装了方向舵,它可以偏转飞机的航向。水平尾翼的后边是升降舵,它负责控制飞机的俯仰。当升降舵翘起来时,尾端的气流向上,从而给飞机一个向上的扭矩,这时候机翼的攻角θ变大,机翼获得的升力加大,飞机上升。反之,飞机会下降。
飞行的战机
总结与回顾:飞机有大有小,最轻的载人飞机只有几十公斤,而最重的飞机重达数百吨,它们是怎么飞起来的?因为飞机有强大的发动机和机翼。
发动机通过向后推动空气,使飞机获得前进的动能。
飞机的机翼在空气中运动时会切割空气,空气在流过机翼后被迫向下运动,从而给了机翼向上的升力,当升力大于飞机的重力时,飞机就能离开地面在空中飞行了。
许多人用伯努利原理来解释机翼的升力,这并不准确。机翼上方气流速度是压力变化的结果而非原因。事实上机翼获得升力是下压空气带来的反作用力,它符合牛顿的力学原理。
飞行的客机
飞机为什么能飞起来?
飞机是重于空气的飞行器,当飞机飞行在空中,就会产生作用于飞机的空气动力,飞机就是靠空气动力升空飞行的。在了解飞机升力和阻力的产生之前,我们还要认识空气流动的特性,即空气流动的基本规律。流动的空气就是气流,一种流体,这里我们要引用两个流体定理:连续性定理和伯努利定理流体的连续性定理:当流体连续不断而稳定地流过一个粗细不等的管道时,由于管道中任何一部分的流体都不能中断或挤压起来,因此在同一时间内,流进任一切面的流体的质量和从另一切面流出的流体质量是相等的。
连续性定理阐述了流体在流动中流速和管道切面之间的关系。流体在流动中,不仅流速和管道切面相互联系,而且流速和压力之间也相互联系。伯努利定理就是要阐述流体流动在流动中流速和压力之间的关系。
伯努利定理基本内容:流体在一个管道中流动时,流速大的地方压力小,流速小的地方压力大。
飞机的升力绝大部分是由机翼产生,尾翼通常产生负升力,飞机其他部分产生的升力很小,一般不考虑。从上图我们可以看到:空气流到机翼前缘,分成上、下两股气流,分别沿机翼上、下表面流过,在机翼后缘重新汇合向后流去。机翼上表面比较凸出,流管较细,说明流速加快,压力降低。而机翼下表面,气流受阻挡作用,流管变粗,流速减慢,压力增大。这里我们就引用到了上述两个定理。于是机翼上、下表面出现了压力差,垂直于相对气流方向的压力差的总和就是机翼的升力。这样重于空气的飞机借助机翼上获得的升力克服自身因地球引力形成的重力,从而翱翔在蓝天上了。
机翼升力的产生主要靠上表面吸力的作用,而不是靠下表面正压力的作用,一般机翼上表面形成的吸力占总升力的60-80%左右,下表面的正压形成的升力只占总升力的20-40%左右。
飞机为什么可以飞起来?原理是怎样的?
飞机为什么可以飞起来?原理是怎样的?飞机的起飞,靠的是空气动力!假如飞机场在空气中推动,当它达到一定的速度与其他条件才可以时就可飞出路面,飞机场由动力系统造成前进动力,由固定不动飞机翼造成推力,达到一定的推力后,就可起飞。实际上,飞机机翼并不是一般屈伸的,反而是往上突起一些,那样当飞机场水准前行时,迎面而来的气旋就在那飞机翼上造成向上的推力,使飞机场升上上空。
飞机飞行速度越来越快、飞机翼总面积越多,所产生的推力也就越大,因此直升机在飞机起飞必须在飞机跑道上行驶一段距离才可以起飞,并且飞机场不能飞到没有空气的区域。有一些科普类书籍说,飞机翼上边突起,下边较平,气体从上边流过的间距长,从下边流过的间距短,因此下方的流速大,下方的流动速度小。这种说法好像言之有理,但其实是错的!
不正确的原因在于,它预置了一个前提条件,便是气体沿两点间不一样的路径会走同样的时长,即从飞机翼外缘出发的2个气体简谐运动会到飞机翼边缘与此同时汇合。但这是错的离谱的,一点不存有这种双向性标准。北大力学系退休教授武际可教师写了一篇文章讲述了这种情况。假如在流内场同一高度的AB两点间用一根塑料管连起来,在管道入口分离出来的两个简谐运动,一个沿平行线抵达B,一个沿塑料管抵达B,难道说它们会与此同时抵达吗?极而言之,假如塑料管的长度是AB直线距离的100倍,难道说它们会与此同时抵达吗?当然不会。所以这种与此同时性的解释是毫无根据的。
不难看出,针对飞机场为什么会飞下去,伯努利原理的解释是一种半截子的解释。它只是告知你了这个现象,即下边流得慢、气体压强高因此造成推力,但并没有对你说这个现象的主要原因。再来看另一种表述,反冲力的解释。飞机翼只需歪斜一点,即对气体有一个俯仰角,就会把一部分气体反射面到下边,换句话说他在往下压气体。依据牛顿第三定律,气体对飞机翼会产生一个向上的反冲力,这便是推力。所以只要能飞充足快,俯仰角不以0,那样一切形状的四轴飞行器都可以飞起来。在枪迷含有一句名言“力大砖飞”,即只需汽车发动机气力足够大,一块砖头也可以飞起来,说的就是这种情况。