飛機為什麼能飛起來?你學過的物理可能錯了


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飛機為什麼能飛起來?你學過的物理可能錯了

孩子們經常會問:“飛機為什麼能飛起來呀?”

答案很簡單:因為飛機有動能,並且有翅膀,動能產生向前的運動,翅膀產生向上的升力,所以飛機就能向上飛行了。

就這麼簡單嗎?其實要細究起來,飛機飛行的道理挺複雜,並且我們之前學習的有些內容存在錯誤!我們今天就來詳細地分析給你聽。

  • 飛行的力學

飛機的飛行,說到底就是對於力學原理的運用。一架飛機停在地面上,它只受到兩個力的作用,一個是飛機自身的重力,另一個是地面對它的支持力;重力垂直向下,支持力向上,兩個力大小相等方向相反,所以飛機可以穩穩地停在那裡。

靜止飛機受力情況

我們想飛到天上,首先需要克服重力,讓它脫離地面,這時候就需要用另外一種力來代替地面的支撐力,這個力就是升力。當升力大於重力時,飛機會向上爬升;而當升力與重力相等時,飛機會保持高度。

你可能想到了氣球和火箭。氣球裡邊的氣體密度比外邊的空氣密度低,所以氣球會產生浮力,浮力就是升力;火箭依靠火箭發動機向下噴氣,噴射氣流的反作用力也可以把火箭推向高空。

與氣球相比,飛機很重,它的發動機推力也不如火箭大,所以飛機需要依靠機翼向前飛行。飛機的升力基本上是由機翼在空氣中運動產生的。

當飛機在空中飛行時,它會同時受到四個方向力的作用:向下的重力、向上的升力、向前的推力和向後的阻力。

飛行狀態受力情況

  • 機翼的升力是如何產生的?

飛機啟動發動機,將空氣向後邊吹,這時候空氣就會給飛機一個向前運動的力。就像你用力推牆,牆向你施加的反作用力一樣,這兩個力大小相等方向相反。

作用力與反作用力

飛機快速向前運動時,機翼會切割空氣,機翼與空氣之間的相互運動會產生升力。

關於升力的產生,我們以前許多的教科書裡是這樣描述的:由於機翼剖面的特殊形狀,它的上方凸起而下方相對較平;當機翼在空氣中運動時,機翼上方的空氣流動的距離更長,在同樣時間裡機翼上方氣流的速度更快;按照伯努利原理,氣流流動的速度越快,它的壓強越小;V1>V2,所以機翼下方的空氣壓力大於上方的力,機翼上升。

有些教科書用伯努利原理解釋機翼升力

遺憾的是,這樣的表述並不完全正確。

事實上,科學家們通過大量的風洞實驗發現,空氣團在機翼前端分離後,上圖中藍色箭頭的氣流並不是與下方紅色部分同時到達,機翼上方的空氣流速是機翼後方低壓造成的結果而不是產生低壓的原因,因此我們不能用伯努利原理來解釋機翼的升力

如果你是一個航空愛好者,會不難發現幾乎所有的機翼橫截面都是類似於水滴形的扁平形狀,它的上部稍稍隆起,而尾端尖尖稍向下偏。這種形狀有利於飛機以最小的阻力在空氣中飛行。

圖中展示了機翼的典型剖面形狀

這種機翼形狀的另一個作用就是偏轉空氣,從而使機翼獲得向上的升力。

當空氣從機翼上表面流過時,它會在機翼表面產生吸附力,這種吸附力使機翼上方的靜壓力相對較低;而從機翼下方流過的空氣團由於機翼向上的迎角而產生較大的靜壓力;空氣團在機翼尾端被迫向下壓,從而使機翼自身產生方向相反的向上分量。於是機翼向上抬升。

機翼通過下壓空氣獲得升力

  • 飛機的飛行

飛機的機翼是升力的主要提供者,但大多數飛機並不只有兩個翅膀,它還有水平尾翼和垂直尾翼。尾翼主要起穩定飛行的作用,同時在尾翼上還安裝了幾個舵面,飛機通過舵的擺動來調節方向。

垂直尾翼上安裝了方向舵,它可以偏轉飛機的航向。水平尾翼的後邊是升降舵,它負責控制飛機的俯仰。當升降舵翹起來時,尾端的氣流向上,從而給飛機一個向上的扭矩,這時候機翼的攻角θ變大,機翼獲得的升力加大,飛機上升。反之,飛機會下降。

飛行的戰機

  • 回顧與總結:

飛機有大有小,最輕的載人飛機只有幾十公斤,而最重的飛機重達數百噸,它們是怎麼飛起來的?因為飛機有強大的發動機和機翼。

發動機通過向後推動空氣,使飛機獲得前進的動能。

飛機的機翼在空氣中運動時會切割空氣,空氣在流過機翼後被迫向下運動,從而給了機翼向上的升力,當升力大於飛機的重力時,飛機就能離開地面在空中飛行了。

許多人用伯努利原理來解釋機翼的升力,這並不准確。機翼上方氣流速度是壓力變化的結果而非原因。事實上機翼獲得升力是下壓空氣帶來的反作用力,它符合牛頓的力學原理。

飛行的客機