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初中物理教师的博客

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空中的飞机为什么掉不下来  

来自惊鸿岂止一现   2012-12-19 10:04:05|  分类: 物理与生活 |举报 |字号 订阅

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空中的飞机为什么掉不下来



 

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空中的飞机为什么掉不下来



空中的飞机为什么掉不下来
  

    很早人们就梦想像鸟一样在天空中自由飞翔。人们发现鸟有两种飞行方式:扑翼飞行和滑翔。最早人们注意到的是鸟的扑翼飞行,想象鸟一样靠翅膀上下扑动来飞行,结果失败了。后来人们转向学习鸟的滑翔。对于鸟类的滑翔,很久以来人们一直迷惑不解,外国曾有人认为鸟的肚子里有热气作用,而中国晋朝一个叫葛洪的人在仔细观察老鹰在飞行后,解释说,老鹰伸直两翅,并不扑动,反能盘旋飞行,且越飞越高,是因为上升气流的缘故。基于鸟类滑翔的原理,人们造出了滑翔机和早期的飞机。
    现在我们知道飞机能够在高空中飞行不落,是因为受到一个升力作用,而使飞机获得升力的主要部件是机翼。但是飞机是如何得到这一升力的呢?为了解释这个问题,我们先做一个简单的实验:
    将一个乒乓球放置于一个倒扣的漏斗内,先用一块纸板托住漏斗口。这时用吸尘器从漏斗窄口向里吹气,并拿走纸板,此时乒乓球却掉不下来。这就是“升力”托住了球体。因为空气流过球与漏斗壁间窄缝时的流速大于流出漏斗口时的流速,所以漏斗宽口处的压力大于漏斗窄口处的压力,它克服了乒乓球的重力,使球支持着不落下去,即流速增加,压强降低,这在物理学上叫做伯努利原理。
    飞机获得升力的情况和上面的实验相似,只是这时还要考虑到机翼周围存在着的空气的环流。这种环流在飞机的飞行中迭加到经过机翼的平移气流上。在机翼上部,环流的方向与平移气流的方向相同,迭加结果使空气流的速度增加;在机翼下部,环流的方向与平移气流的方向相反,因而空气流速度减少。可以看出机翼上方的气流速度大于下方的,上面的流线较密,下面的流线较疏。根据伯努利原理,机翼上方的压强减少,下方的压强增大,形成了一个向上稍微偏后的总压力Q。把Q 分为水平与竖直方向上的两个分力f及F,其中F 就是飞机机翼受到的向上升力,它使飞机上升或保持飞机悬浮在空中;f 分力是阻止飞机前进的正面阻力。
    对上述现象也可以用牛顿定律作一个定性的解释。气流对机翼有向上的升力,那么机翼对气流就有向下的反作用力,这样一来就使气流向下偏斜。
    当气流经过机翼时,在竖直方向上的动量分量就有一个改变量,由于机翼对气流有向下的作用力,因而机翼也得到一个向上的升力。这和前面所说的结果一致。
    所以飞机机翼受到的总压力Q 的大小和气流的速度有关。气流速度越大,Q 也就越大。另外,Q 还与机翼的形状和迎面气流冲向翼面的仰角a 有关。
    飞机在飞行时,受到升力F、重力P、推进器的前进力F1 和阻力f 的作用。要使飞机能正常飞机,应保证升力足够大、阻力最小。经过长期的实践与观察,人们发现把机翼前缘做成圆形而后部做成尖锐形状,并且使机翼上部稍微凸起,便可以使飞机少受旋涡的影响,即受到的阻力较小。因此人们逐步改善机翼的形状,采用流线形机翼。
    实践证明,在其他条件相同时,飞行的速度越快,机翼产生的升力也越大;机翼截面积越大,升力越大。对于低速飞行的运输机,就要有较大的机翼,以获得足够大的升力。对高速飞行的飞机,机翼太长使产生的阻力增大,此时应采用小机翼。所以针对不同飞行速度的要求,要采用不同的机翼及不同的截面形状。
    不论哪一种截面形状的机翼,在一定范围内增大仰角a,都可以提高升力。飞机起飞的速度越小,为了增大升力,就要抬起机头,靠增大机翼的仰角来增加升力。但仰角增大时,阻力也会增大,同时在机翼上面所形成的涡流区会越来越大,这时机翼受到的升力也会减小。所以在一般飞行中,机翼的仰角是有一定范围的,如果超出了这个范围,不但不能增加升力,反而会引起失速现象,会使飞机掉下来。
    一般飞机必须同空气有相对运动,机翼才可以产生升力。但另有一种飞机,它具有停在空中不动的本事。这就是直升机。直升机在军事和民用中都发挥着重大作用,它可以用于在交通不便地区运送物资、抢救伤病员、摄影,还可用于测绘地表、护林防火等。
    直升机机翼和空气没有相对运动,升力应该不存在,为什么它能在空中突然停住不动而又不掉下来呢?
    原来直升机的升力是由在它头顶上旋转的机翼所产生的。当直升机在空中的时候,它的旋翼仍然在不停地转动,产生一个同直升机重力大小相等方向相反的升力。因此,直升机就能不前进也不后退、不升高也不降低,稳稳地停在空中执行任务。



 

 

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