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第一节
飞机为什么能飞?

1.飞机是如何飞起来的?

很久以前,人类就憧憬能够飞上蓝天,人们曾编织“嫦娥奔月”、“女娲补天”等神话故事来圆自己的飞天梦。到了东周春秋时期,人们发明了风筝(纸鸢)。风筝距今已有两千多年的历史,被称为人类最早的飞行器。

图1-1 关于飞天的传说

风筝有着悠久的历史,起初是军事上用来传递情报的。从唐宋开始,中国的风筝向世界流传。在欧洲工业革命形势的影响下,中国的风筝开始向飞行器发展,经过英国的凯利、澳大利亚的哈格瑞夫和德国的李林达尔等人的改良,到1903年12月17日,美国的莱特兄弟成功制造了人类第一架载人的飞机。

图1-2 中国的风筝

1909年9月21日,一名来自中国广东恩平的爱国青年冯如,经历重重坎坷,凭借不懈努力,发明制造了第一架属于中国人自己的飞机,被后人誉为“中国航空之父”。

图1-3 中国航空之父——冯如

众所周知,鸟儿依靠翅膀飞上蓝天,飞机产生升力依靠的便是机翼。根据伯努利原理,由于机翼上表面的受力面积小于机翼下表面的受力面积,飞机在空中飞行时空气流动速度不同,从而使上表面的空气流动速度大于下表面的空气流动速度,让飞机产生升力。

图1-4 飞机起飞原理

鸟儿可以依靠振动翅膀飞行,但是飞机不能振动机翼,那该怎么办呢?这里就要提到飞机的主要动力源——发动机。它是飞机动力的主要来源,俗称“飞机的心脏”,为飞机在地面滑行达到起飞速度提供推力或拉力。

2.伯努利定理

飞机能够飞起来,运用的最主要的原理就是伯努利定理。

1726年,瑞士的丹尼尔·伯努利提出:“在低速流动的流体中,一条流管内气(液)体流速越大,其静压越小;流速越小,其静压越大。”这个定理被后人称为“伯努利定理”。伯努利定理可以用一个简单的实验来验证。我们拿着两张纸,往两张纸中间吹气,会发现纸不但不会向外飘,反而会被一种力挤压在一起。这是因为两张纸中间的空气流动速度快,压力就小,而两张纸外侧的空气流动速度慢,压力就大,所以外侧空气就把两张纸“压”在了一起。

图1-5 伯努利定理

那么,飞机起飞跟伯努利定理有什么关系呢?

飞机的机翼翼型都是经过特殊设计的。在飞机起飞时,机翼周围空气的流线分布上下不对称,机翼上方的流线密,流速大;下方的流线疏,流速小。所以机翼上方的压强小,下方的压强大。这样就产生了机翼向上的升力。

不难想象,大飞机质量大,要想飞上天,所需要的升力自然要比小飞机所需要的升力大。

那么,飞机升力的大小又跟哪些因素有关系呢?

通常,飞机升力的大小跟飞机的机翼面积、空气密度、飞行速度及飞行迎角等有关。

图1-6 机翼与伯努利定理

3.生活中的伯努利定理现象

(1)列车站台的安全线。大家有没有注意到,在列车站台上都划有黄色安全线。这是由于列车在高速驶来时,靠近列车车厢的空气会被带动而快速运动起来,压强就会减小;站台上的旅客如果离列车过近,旅客身体前后会出现明显的压强差,身体后面较大的压力将会把旅客推向列车而使之受到伤害。

地铁同理,有的地铁还会设有玻璃护栏,这也是为乘客的安全着想。大家以后不论乘坐列车、地铁还是高铁,记住,千万不要跨越那条黄线哦!

图1-7 列车站台的安全线

(2)船吸现象。1912年秋天,“奥林匹克”号轮船正在大海上航行,在它不远处有一艘相对于它来说较小的船正在向前疾驶,两艘船似乎在比赛,彼此靠得比较近,平行着驶向前方。

忽然,正在疾驶中的那艘小船好像被大船吸引似的,一点也不服从舵手的操纵,竟一头向“奥林匹克”号撞去。小船的船头撞在“奥林匹克”号的船舷上,撞出个大洞,酿成重大海难事故。这究竟是怎么回事呢?经研究,原来是“伯努利定理”现象。

我们知道,根据流体力学的“伯努利定理”,流体的压强与它的流速有关,流速越大,压强越小;反之亦然。用这个定理来审视这次事故,就不难找出事故的原因了。

当两艘船平行着向前航行时,在两艘船中间的水比外侧的水流得快,中间的水对两船内侧产生的压强,就比外侧对两船产生的压强要小。于是,在外侧的水的压力作用下,两船渐渐靠近,最终相撞。又由于小船的体积相对于“奥林匹克”号轮船的体积较小,在同样大小的压力的作用下,它向两船中间靠拢时速度要快得多,从而造成了事故。这种现象称为“船吸现象”。

图1-8 船吸现象

(3)刮风掀翻屋顶或压垮大桥。当刮风时,屋面上的空气流动得很快,而屋面下的空气几乎是不流动的。根据“伯努利定理”,在刮风时,屋面下空气的压强大于屋面上空气的压强。要是风越刮越大,则屋面上下的压力差也越来越大,一旦风速超过一定程度,这个压力差就会掀起屋顶!正如我国唐代著名诗人杜甫《茅屋为秋风所破歌》所说的那样:“八月秋高风怒号,卷我屋上三重茅。”

台风吹垮大桥也是“伯努利定理”的作用:台风经过大桥,会从桥面上和桥洞里吹过。由于桥洞相对于桥面比较小,所以风经过的时候,风速比较快,压强较小,而桥面上的风速比较慢,压强较大。这样,就产生了压强差。桥梁如果承受不了这样的压力,就会被压垮塌。

图1-9 刮风掀翻屋顶或压垮大桥 76PQFAPXtliYyHqZ+K8JekhegUd0zVwXVMoX58iLhzYYIrJOnM1QPF7zBayzBZA2

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