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[飞行资料] 流体压强与飞机升力新认识

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发表于 2020-2-9 11:39 | 显示全部楼层 |阅读模式

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流体压强与飞机升力新认识     
物理是一门以实验为基础科学,是教材中一门逻辑性很强的学科,教材中知识要严谨,不能有瑕疵,不能误导学生。初中物理八年级下册第九章《压强》第四节《流体压强与流速关系》中,对飞机升力的叙述诸多有问题。本文结合对初中物理教材的评析,利用实验对流体压强规律和飞机机翼升力重新认识,厘清有关飞机升力原理认识上的混乱。
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1、绝对压强差和相对压强差的不同
生活中常见的伯努利原理的应用都是气流在物体的单侧流动,而飞机是在空气中飞行,相对地把气流看作是在机翼的上下表面同时流动,所以它们产生的效果是有区别的。
(1)、常见的伯努利现象与飞机飞行的所处状态不同
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本节中刚开始做吹硬币、吹纸两个实验,得出在“气体和液体中,流速越大的位置,压强越小”的结论。
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然后引出飞机升力的产生在于飞机的机翼,“上凸下平”的机翼上表面流速快,压强小,机翼下表面流速小,压强大,从而产生的压力差,这个压力差就是升力的产生的原因。
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但吹硬币、吹纸等例子中的硬币、纸等(左下图),与飞机机翼在空气中滑行时所处的状态是不同的。它们都是物体一侧空气流动,气压减小,另一侧空气静止,气压不变,所以是绝对压力差,是可以利用伯努利原理的。
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飞机飞行时,在没有风的情况下,空气是静止的,飞机是运动的。此时空气并不是真的顺着机翼的上下表面流动,而是相对地把空气看作是顺着机翼上下表面流动的,并且是同时流动的(右上图),只是流速有些差别,从而导致机翼上下表面的流体压强有所不同,这是相对压力差。
(2)、绝对压力差与相对压力差大小不同
像吹纸和吹硬币都是物体单侧空气流动,物体一侧压强不变,另一侧压强减小,当然能产生强大的压力差令硬币弹起来。如果气流在物体两侧同时流动的话,物体两侧压强都会减小,那么两侧的压力差就不显著了。
我们可以通过一个实验来证明相对压力差比绝对压力差小得多,我们做个“上凸下平”的机翼模型放在桌子上,一吹机翼模型就跳起来了(左下图),这就是绝对压力差的应用。
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如果把机翼模型用支架垫起来,机翼模型下方留有空隙(右上图),你对它吹气,这时气流从机翼模型的上下表面同时流过,虽然机翼表面上凸下平,但上下表面的空气流速相差不大,压强相差也不大,压力差很小,它就很难向上弹起来了,此时机翼模型所受到的就是相对压力差。
通过实验可见“相对压力差”比“绝对压力差”小多了。
2、空气流动方向的不同
飞机在静止的空气中飞行时,由于空气并不流动,所以真实情况不会出现左下图那样空气顺着机翼上下表面向后流动的现象,而是机翼与空气相对运动看作是空气流过机翼表面,这与伯努利原理中气流顺着物体表面流动的真相不符。
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飞机在静止的空气中飞行时,机翼所过之处空气也是流动的,但不是顺着机翼表面流动,而是在有迎角的机翼(中上图)或机翼表面中有掠角和迎角的斜面(右上图)的作用下,流向前下方或前上方,流动方向都是垂直或近似垂直于机翼表面的。
3、机翼模型实验方式脱离现实
就算空气是流动的,可以用伯努利原理解释机翼升力,教材的实验方式也有问题。我们看这个吹机翼模型的实验,这个上凸下平的机翼模型当前细线MN拉平绷紧的时候(左下图),大家想想机翼模型是什么状态?应该在重力作用下下垂吧(右下图)。
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这就是与飞机的实际飞行有些差距了(左下图)。实际中机翼是水平安装的,机翼表面不是下垂的,空气流动方向与左上图相似。物理是一门以实验为基础的科学,虽然我们这个模型制作的很好,但实验中模拟的情况与飞机实际飞行状态相差较大时,实验就失去意义了。
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要想探索飞机机翼的升力原理,就不能用线吊起来吹,而要模拟它的真实飞行状态,像右上图那样把机翼模型放置在桌子上,两边用支架垫起来,然后向机翼模型前头的MN处吹气,让空气流过机翼模型的上下表面,观察机翼的是否产生升力。
4、流速增大的无限与压强减小的有限
本节中借助机翼模型吹气实验后,以“上凸下平”的典型翼型进行机翼升力总结。文中说道,飞机前进时,与周围空气发生相对运动,相当于气流迎面流过机翼上下表面,由于机翼上表面弯曲较长,所以机翼上方气流速度快,根据本节前面实验中得到的流体压强结论 “在气体和液体中,流速越大的位置,压强越小”可知机翼上表面的压强小;机翼下表面速度小些,对机翼下表面压强较大。这样机翼上下表面就存在着压强差,从而产生压力差,机翼下表面压力大于上表面压力,故产生了向上的升力。
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但这种空气流过机翼上下表面造成的压力差解释升力存在局限,主要有两点,一是前面说过的这是相对压强差,虽然机翼表面上凸下平,但相差不是很大(以本节中的实验模型为例,机翼上下表面的长度比是10:9),那么机翼上下表面的空气同时流过时,速度也相差也不大,压强相差当然就不是太大了,所以获取的压力差升力是很小的,特别是在低速时,所以它难以胜任飞机对升力的需求。
第二个问题就是本节对机翼升力产生的叙述中对速度与压强的关系没有考虑周全。根据本节前面实验中得到的流体压强结论,“在气体和液体中,流速越大的位置,压强越小”,但有个问题需要考虑,就是气流速度可以无限增加下去,而压强不能无限减小下去,只能小到0 。那么在飞机飞行中,空气流过机翼的速度越快,对机翼表面的压强越小。由于气流同时流过机翼的上下表面,随着气流速度的加快,机翼的上下表面的压强也越来越小,那么它们之间的压力差也越来越小,当机翼下表面的气流速度达到很高速度时,可能气流对机翼下表面的压强为0了。由于机翼上表面的速度要稍高于机翼下表面,由于压强不能为负数,所以机翼上表面的压强早就为0了,这就是说此时机翼上下表面的压强差为0,那么压力差也为0,没有升力产生了。
以这种理解方式解释机翼升力原理就会出现空气流速越快,飞机的升力越小这种谬论,这就和飞机飞行实际相矛盾了,因现实中飞行速度越快,升力越大,所以本节中对机翼升力的理解方式有漏洞,不严谨。
5、翼型不是升力的主要原因
无论是本节教材中所列举的机翼模型还是网上科普中有关升力知识的机翼,都 是以“上凸下平”的典型机翼结构讲解的(左下图),升力的解释也从这种“上凸下平”的典型机翼入手,认为是这种结构产生了升力。可实际上并不是这么回事,我们可以通过实验来看看。
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   我们先做个吹纸实验(右上图)。如果吹气位置在纸的上面,也就是吹纸的上表面(左下图),下垂的纸会在气流的作用下向上翘起,纸的上表面流速大,压强小,下表面空气不流动,所以纸的下表面压力大于上表面压力,形成了向上的升力。
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如果吹气位置在纸的下面(右上图),也就是吹纸的下表面,下垂的纸也会在气流的作用下向上翘起,实际上在实验中比吹纸的上表面更容易,气流速度也不用那么猛烈就能把纸吹平了。吹纸的上表面利用伯努利原理容易理解,吹纸的下表面就不能用伯努利原理容易理解了,而是用“气体或液体流速越大,对流向正面的压强越大”这种规律来解释纸的下表面压强增加,纸的上表面压强不变,从而形成压力差使纸向上翘起。
那如果吹的气流同时经过纸的上下表面(左下图),下垂的纸也会在气流的作用下向上翘起,这时两种原理都应用了,纸受到的升力更大。
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这三个实验中的纸没有什么特殊形状,上下表面是对称的,但有不同位置的气流下都能向上翘起。同样吹本节中的机翼模型,下垂的机翼模型也会随风飘起(如右上图),机翼模型的上下表面是非对称的,实验结果与吹纸几乎没什么两样,这说明升力与翼型关系不大。实际上大部分机翼翼型都不是“上凸下平”的,而是像下图这些多种多样的形状。本节书只举“上凸下平”翼型有以偏概全的嫌疑,这会让继续深造的学生将来产生很大的疑惑。
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当然特定翼型能很好的帮助升力的产生,更好地减小阻力,但绝不是升力的主要原因。
6、流体压强的重新定义与升力的新认识
从吹纸的上下表面实验中我们得出了流体压强有两个规律,这就是“在气体和液体中,流速越大,对流向侧面的压强越小①,对流向正面的压强越大②”。简单说就是流向侧面压强小,流向正面压强大。
在吹纸下表面的实验中我们能领悟到,斜面能产生升力,纸吹到翘起展平后便没有升力不再上升了(左下图),是因为没有斜面了。所以,我们要让机翼以一定迎角飞行或在机翼表面上设计有一定迎角的斜面部分(右下图)。
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当气流同时流过有迎角的机翼上下表面时,那么此时机翼上表面受到伯努利原理的影响,空气流速快,压强减小,比周围正常的压强低;机翼下表面受到高速气流的冲击,在气流动压和牛顿力的作用下,压强增加,比周围正常的压强高。机翼上下表面压强的一增一减,形成了较大的压强差,从而产生了垂直于机翼表面的压力差,与飞机推力合成了向上的升力。
当机翼的迎角变小到水平位置时,就没有气流冲击机翼表面了,机翼上下表面都是气流的侧面了,“在气体和液体中,流速越大,对流向侧面的压强越小”,由于机翼上下表面气流速度也相差不大,压强相差也不大,所以向上的压力差也不大,升力也就很小甚至消失了。
以上说明了机翼迎角的重要性:有迎角时,机翼上表面和下表面应用的流体压强原理不一样,无迎角时,机翼上下表面都是利用同一种流体压强原理了,当然就没有升力了。
实际上我们在吹“上凸下平”的机翼模型实验时(左下图),空气从水平放置的机翼模型上下表面同时流过,此时不仅机翼难以弹升起来,机翼前头还有下沉的现象(右下图)。
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这是因为机翼前头的上凸面前有一小段斜面有后掠角,后掠角与机翼迎角作用正好相反,产生向下的压力,所以机翼前头才有下沉的现象。
流体压强与升力总结:
在气体和液体中,流速越大,对流向侧面的压强越小,对流向正面的压强越大。飞机升力的产生与机翼以一定迎角(或机翼表面的迎角斜面部分)飞行有关。飞机飞行时,有一定迎角的机翼上表面在空气流向的侧面,压强变小;机翼下表面在空气流向的正面,压强变大,从而形成较大的压强差,产生的垂直于机翼表面的压力差与飞机推力形成了向上的升力。
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