飞机为什么会飞上天?什么原理?(你学过的物理可能错了)

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。

飞机为什么会飞上天?什么原理?(你学过的物理可能错了)

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。

飞机为什么会飞上天?什么原理?(你学过的物理可能错了)

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。

飞机为什么会飞上天?什么原理?(你学过的物理可能错了)

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。

飞机为什么会飞上天?什么原理?(你学过的物理可能错了)

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。

飞机为什么会飞上天?什么原理?(你学过的物理可能错了)

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。

飞机为什么会飞上天?什么原理?(你学过的物理可能错了)

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。

飞机为什么会飞上天?什么原理?(你学过的物理可能错了)

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。

飞机为什么会飞上天?什么原理?(你学过的物理可能错了)

飞行的客机

以上内容如果对你有帮助,请收藏本站,以便第一时间了解最新网赚项目,学习各大网赚培训团队内部VIP网赚教程,每日持续更新。
© 版权声明
THE END
喜欢就支持一下吧
评论 抢沙发
头像
欢迎您留下宝贵的见解!
提交
头像

昵称

取消
昵称表情代码图片