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1.3 飞机升力原理

固定翼飞机是通过涡轮发动机产生前进的推力,飞机高速前进使气流快速流过机翼,从而产生升力,如图1.3.1所示。固定翼飞机的机翼相对于飞机的机身是固定的,而直升机、多旋翼飞机等旋翼飞行器的机翼不是固定的,旋翼飞行器的升力是通过旋翼的旋转产生的。但无论是在天上飞行的固定翼飞机,还是悬停在空中的旋翼飞行器,它们的机翼在获得升力的同时,机翼与气流之间也在发生相对运动。并且固定翼飞机与旋翼飞行器的机翼剖面形状是相似的,如图1.3.1所示,因此它们产生升力的原理也是相同的。

图1.3.1 气流流过机翼

固定翼飞机和旋翼飞行器的飞行离不开空气,正是机翼与空气的相互作用让它们获得了升力。空气在流过机翼的过程中会发生哪些现象?升力又是怎么产生的?接下来通过实验探究空气动力学现象。

1.3.1 附壁效应

附壁效应是指气流或水流会附着在弯曲物体的外表面,从而偏离原来运动方向的一种流动现象,这个现象是亨利·科恩达(Henri Coandǎ)发现的,亨利·科恩达是罗马尼亚的发明家和空气动力学家,人们为了纪念这位科学家,把这种效应称为科恩达效应。例如,在使用杯子、碗、酒瓶等容器倾倒液体时,在倾角不大的情况下,液体容易沿着容器的外壁流动,如图1.3.2所示。将横着的圆柱形水杯逐渐靠近正在向下流动的自来水,原本竖直下落的水流开始沿着水杯弯曲的外壁流动,如图1.3.3所示,这些都是液体的附壁效应。

图1.3.2 倾倒液体

图1.3.3 水流的附壁效应

水流的附壁效应往往比气流的附壁效应更明显,以图1.3.3为例,在空气中竖直向下流动的自来水会紧贴水杯弯曲的外表面流动,其主要原因是水与杯子之间存在着吸附力,并且水流的表面也有很强的张力,在这两个力量的共同作用下,把水“拉向”了水杯的外表面,可以理解为水流是被水杯吸过去的。

试一试

打开自来水龙头,自来水缓缓流下,将勺子用细绳悬挂竖起并向水流靠近,用勺子的背面去接触水流,如图1.3.4所示,在这个实验中除了可以看到水流的附壁效应,你还能观察到什么?

图1.3.4 用勺子靠近水流

实验探究:空气的附壁效应——隔空吹蜡烛

实验器材: 圆柱形杯子、蜡烛、点火器。

实验过程

将点燃的蜡烛立在桌面上,然后在蜡烛的正前方放置一个玻璃杯,玻璃杯需要高于火焰的高度。在与蜡烛火焰差不多高度的位置,隔着玻璃杯向蜡烛的方向轻轻吹一会儿,如图1.3.5所示。看看火焰有什么变化。由于实验中用到了明火,请在成人指导下进行实验,实验时注意安全。

图1.3.5 隔空吹蜡烛

实验现象

隔着杯子吹蜡烛时,蜡烛的火焰会熄灭。这是因为吹出的气流虽然被玻璃杯阻挡,但由于科恩达效应,气流会沿着圆柱形玻璃杯的外壁流动并到达火焰的位置,如图1.3.6所示,从而吹灭蜡烛。

图1.3.6 流经玻璃杯外壁的气流示意图

在隔空吹蜡烛的实验中,当气流刚到达玻璃杯外壁时,气流将沿着玻璃杯外壁的左右两侧流动,由于空气具有黏性,气流在经过玻璃杯表面时会不断带走玻璃杯表面附近的空气,在图1.3.7所示的示意图中,空气的黏性将会让气流带走深蓝色区域的空气,玻璃杯的表面就会形成低压区,在大气压的作用下,气流被大气压压向玻璃杯表面,如图1.3.8所示,从而让气流沿玻璃杯表面流动,这就是流动空气的附壁效应形成的原因。

试一试

在隔空吹蜡烛的实验中,如果用一个长方体盒子来代替玻璃杯的位置,隔着玻璃杯向蜡烛的方向轻轻吹一会儿。看看火焰有什么变化。并解释其中原因。长方体的盒子可以是牙膏盒或其他类似形状的盒子,盒子的高度要大于火焰的高度,如果是纸盒或塑料盒,可以用铝箔纸将盒子包裹起来,避免盒子被蜡烛点燃。

1.3.2 伯努利原理

丹尼尔·伯努利是瑞士的数学家、物理学家。1726年,伯努利通过无数次实验,发现流速与压强存在这样的关系:无论是气体还是液体,流体的流速越大,压强越小;流体的流速越小,压强越大。为纪念这位科学家,人们把这一发现称为“伯努利原理”。

例如,在如图1.3.9所示的一个粗细不均的管道中,水流在管道粗的地方流速慢,在管道细的地方流速快,这就好比河道中的水流,河道越宽水流越缓,河道越窄水流越湍急,根据伯努利原理可以得知,管道中的水流在流速快的地方压强小,流速小的地方压强大。向类似这样的管道中吹入气流也会得出同样的结论。

图1.3.9 管道中的水流

1.3.3 机翼的升力

当空气流经机翼的前方时,一部分空气会流过机翼的上方,另一部分空气会流过机翼的下方,由于机翼的下表面几乎是平直的,对流经机翼下表面气流的速度和方向几乎没有影响,机翼下表面受到的气压也接近于大气压。

机翼的上表面是凸起弯曲的,如图1.3.10所示,当气流流过机翼时,由于附壁效应,原本直线流动的空气被机翼弯曲的上表面吸了过来,沿着机翼的上表面流动,一直流向机翼的后下方。气流弯曲产生的“离心力”使得机翼的上表面形成了低压区,低压区里的气压要比大气压小得多。

图1.3.10 流经机翼的气流示意图

比较机翼的上、下表面受到的气压和压力,由于机翼下表面的气压大于上表面的气压,机翼受到的总压力向上,而这个总压力就是飞机的升力,所以机翼的升力是由于机翼上、下表面受到的压力差产生的。在图1.3.11中,机翼上方或下方的颜色越深,压强越大。

图1.3.11 机翼压强分布

低压区对将要流过来的空气也有吸的作用,造成上表面气流的加速运动。根据伯努利原理也可以推理出,压强小的地方流速大,所以机翼上表面的气流速度比机翼下表面的气流速度快,如图1.3.12所示。

图1.3.12 机翼上表面流速比下表面流速快

1.3.4 失速现象

飞机在正常飞行情况下,机翼上表面的气流是沿着机翼表面流向后下方,随着机翼迎角的增加,升力也会提高,但前提是气流仍然沿着机翼上表面流动,当迎角超过一定角度时,气流开始与机翼上表面分离,导致机翼上表面的压力上升,这将使得飞机的升力突然减少,阻力急剧增大,不能保持正常飞行的现象,这就是失速。失速过程中,飞机的高度会迅速降低。

飞机失速意味着机翼上产生的升力突然减少,从而导致飞机的飞行高度快速降低。需要注意的是失速并不意味着发动机停止了工作,或是飞机失去了前进的速度。飞机失速的典型特点是机翼上表面气流分离(图1.3.13),飞机操纵失效。

图1.3.13 机翼失速(上表面气流分离)

机翼的升力系数与迎角存在一定关系,如图1.3.14所示,当机翼的迎角在某个临界值范围内时,飞机的升力系数随着迎角的增大而增大,当超过这个临界值后,飞机的升力系数就会随着迎角的增大而减小。这个临界值就是临界迎角,多数飞机的临界迎角在18°左右,当失速时,飞机会产生失控的颠簸运动,发动机发生振动,驾驶员感到操纵异常。其实飞机在接近失速时,已开始呈现抖动,这就是失速的警告信号。随着机翼迎角的进一步增大,飞机的抖动和摇晃会进一步加剧,飞机会加快进入失速状态。

图1.3.14 升力系数与迎角的关系

失速是因为机翼的迎角超过临界迎角,所以失速时最重要的措施是及时降低迎角。飞行员可慢慢向前推杆,同时将发动机功率缓缓地增加至最大,以增大飞机的飞行速度,尽可能减少高度损失。所有的这些操作必须非常柔和,不要动作过大或过快,要缓慢推杆,缓慢增加功率,不然可能导致飞机进入失速状态,此时也要谨慎使用副翼,避免飞机滚转。 +4gS3xZMVXBRaLJ88bfP19ITZk2wTBBB8P0R9qhEe9atoMZUgWH/UhoaHGV35Be1

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