飛機(jī)機(jī)翼的升力從何而來

K205飛機(jī)機(jī)翼的升力從何而來摘要：從遠(yuǎn)古時代，人類就對升空飛行有了美好的憧憬，嫦娥奔月、女媧補天，這一想要翱翔于天空的渴望激勵著人們不斷探索、前行。人類先后發(fā)明了熱氣球，氣艇實現(xiàn)了飛天夢，終于在1903年，萊特兄弟發(fā)明了人類歷史上第一架飛機(jī)并試飛成功，自此進(jìn)入航空時代。筆者就“飛機(jī)機(jī)翼產(chǎn)生升力的原因”結(jié)合暑期在上海航空科普館進(jìn)行的講解工作及日常學(xué)習(xí)中的物理知識用生動的語言進(jìn)行闡釋。1引言在上海航空科普館A館3樓的模擬飛行體驗區(qū)坐下，緩緩向后拉動操縱桿，飛機(jī)便騰空飛起來了。那么，是什么讓飛機(jī)機(jī)翼產(chǎn)生了升力？這還要從一個神奇的裝置——馬格努斯滑翔機(jī)講起。2原理伯努利原理2.1馬格努斯滑翔機(jī)在今年SYPT物理競賽的題目中有這樣一題：將兩個輕質(zhì)杯子底部站在一起制作一個滑翔機(jī)，將一根橡皮筋纏繞在滑翔機(jī)的中心并抓住橡皮筋余下的自由端。拉伸帶子自由端然后釋放滑翔機(jī)，觀察到滑翔機(jī)并沒有直接落地而是先上升在空中劃出了一道美麗的拋物線。這就是著名的馬格努斯效應(yīng)。而使滑翔機(jī)上升的原理正在于伯努利原理。當(dāng)圓柱體平穩(wěn)地飛行時，氣流會平穩(wěn)地從它上下流過，此時氣流只對它產(chǎn)生阻力（圖1），而當(dāng)圓柱體開始旋轉(zhuǎn)，其下表面運動方向與空氣流動方向相反，而上表面方向相同，故圓柱體下表面空氣流速低，上表面空氣流速高，根據(jù)伯努利原理，此時旋轉(zhuǎn)的圓柱體就會產(chǎn)生向上的升力(圖2)2.2伯努利原理說了那么久，何為伯努利原理?其實質(zhì)就是流體的機(jī)械能守恒。動能+重力勢能+壓力勢能=常數(shù)。即當(dāng)流體被視作粘度可以忽略、不可被壓縮的理想流體時，可得出推論：等高流動時，流速大，壓力就小。結(jié)合之前所闡述的馬格努斯滑翔機(jī)的運動軌跡之所以會有上升，正是因為其下表面氣體流速小，壓力大，上表面氣體流速大，壓力小，產(chǎn)生了壓力差形成向上的升力。同樣的，讓我們回到正題，利用伯努利原理結(jié)合筆者在上海航空科普館看到的一系列實驗演示來解釋飛機(jī)的機(jī)翼為什么會產(chǎn)生升力。2.3實驗炎炎夏日，上海航空科普館A館3層卻依舊人頭攢動，因為這里有空調(diào)?不，他們是在看這排了一層樓的伯努利原理實驗演示裝置。為了充分地了解該原理在飛機(jī)機(jī)翼產(chǎn)生升力中的應(yīng)用，讓我們從頭說起。在“聽話的小球”實驗中：一個風(fēng)機(jī)出風(fēng)口放著一個泡沫塑料小球，按下電源開關(guān)，可觀察到氣體流動速度越大，小球的位置反而越低。由此得出：氣體流動的速度越大，壓強(qiáng)越??；流動的速度越小，壓強(qiáng)越大。我們暫且將其稱為結(jié)論①。而在“流體速壓演示”的實驗中，由觀察到對應(yīng)截面積大的玻璃管水柱上升低，對應(yīng)截面積小的玻璃管水柱上升高，我們可以得到：根據(jù)伯努利原理，截面積小的地方，流體流動速度增大，壓強(qiáng)減?。唤孛娣e大的地方，流體流動速度減小，壓強(qiáng)增大。我們將其稱為結(jié)論②。當(dāng)然我們并不能止步于以上兩條在科普館展區(qū)內(nèi)就有展出的結(jié)論，于是結(jié)合牛頓第三定律：相互作用的兩個物體之間的作用力和反作用力總是大小相等，方向相反，作用在同一條直線上。在本課題中即為機(jī)翼對氣流的壓力和氣流對機(jī)翼的壓力為相互作用力。讓我們進(jìn)入最關(guān)鍵但在前期夯實鋪墊后變得最能輕松解決的部分——飛機(jī)機(jī)翼與伯努利原理。3機(jī)翼升力與伯努利原理現(xiàn)代飛機(jī)一般是單翼機(jī)，飛機(jī)的機(jī)翼按照俯視平面形狀的不同，可劃分為三種基本機(jī)翼：平直翼、后掠翼、三角翼。在此筆者用以圖3為例，闡述飛機(jī)機(jī)翼產(chǎn)生升力的原因。圖3一般飛機(jī)機(jī)翼的翼剖面的前端圓鈍、后端尖銳，上表面拱起、下表面較平，呈魚側(cè)形。前端點叫做前緣，后端點叫做后緣，兩點之間的連線叫做翼弦。當(dāng)氣流迎面流過機(jī)翼時，流線分布情況見圖3。氣流由于機(jī)翼的插入，被分成上下兩股。通過機(jī)翼后，在后緣又重新合成一股。由于機(jī)翼上表面拱起，使上方的那股氣流的通道變窄。而由2.3中得出的結(jié)論②可知：截面積小的地方，流體流動速度增大；截面積大的地方，流體流動速度減小。結(jié)合2.3中結(jié)論①：氣體流動的速度越大，壓強(qiáng)越??；流動的速度越小，壓強(qiáng)越大。我們可以得出：機(jī)翼上表面受到的壓強(qiáng)小于下表面受到的壓強(qiáng)。也就是說，機(jī)翼下表面受到向上的壓力比機(jī)翼上表面受到向下的壓力要大，這個壓力差就是機(jī)翼產(chǎn)生的升力。4拓展4.1升力效應(yīng)與失速隨著機(jī)翼相對氣流迎角的變化，翼型周圍的空氣流場也會發(fā)生明顯變化。機(jī)翼迎角較小的范圍內(nèi)，升力隨著迎角的加大而增大。但是，當(dāng)迎角加大到某個值時，升力就不再增加了。這時候的迎角叫做臨界迎角。當(dāng)超過臨界迎角后，迎角再加大，阻力增加，升力反而減小。這現(xiàn)象就叫做失速。4.2伯努利原理的應(yīng)用除了之前列舉的幾個演示實驗例子外，伯努利原理在生活中的應(yīng)用還有諸如：噴霧器、足球中的“旋轉(zhuǎn)球”、地鐵安全黃線等等。下次乘電梯時，勿忘提醒身邊的人，與會將你吸上正在高速行駛的列車的氣流保持一定距離。5小結(jié)結(jié)合場館展區(qū)內(nèi)一系列形象而又簡單的科普知識和對講解詞的初步掌握，加之老師的指導(dǎo)和解疑，這個本就利于集中研究的課題很快就有了雛形。在此期間，筆者還在場館中由老師指導(dǎo)完成并試飛了人生第一架簡易飛機(jī)模型。當(dāng)然這次試飛除了讓筆者更直觀地體會到伯努利原理在飛機(jī)機(jī)翼產(chǎn)生升力中的應(yīng)用，更是進(jìn)一步拓展研究了諸如“直升機(jī)螺旋槳如何產(chǎn)生升力”，“飛機(jī)機(jī)翼形狀的改變對該升力有何影響”，“飛機(jī)為什么最好逆風(fēng)起飛降落”等一系列問題進(jìn)行分析并有了初步結(jié)果。在本課題研究過程中，諸如“空氣湍流對飛機(jī)上升飛行的影響”以及“該升力在日常生活中的更多應(yīng)用”是筆者下階段希望能進(jìn)行探究的內(nèi)容。科技發(fā)展、人類進(jìn)步，科技創(chuàng)新之路可謂是篳路藍(lán)縷，而前路漫漫，在這充滿著全新知識學(xué)習(xí)的時光里，愿仍有契機(jī)，使筆者上下求索、繼續(xù)前行。文中若有謬誤還望指正謝謝！參考文獻(xiàn)[1]用一次性紙杯做簡易滑翔機(jī)[DB/OL],2014/s/blog_53535e220101vs3u.html[2]伯努利方程原理及在實際生活中運用[DB/OL],2014/link?url=UPuB-eWaYf7Yjmcu99AJQ50BSymLBYAxfor_dQBCTdkj63cbk2mOWLZSTj6IMkoX5XbF7_N1EWinTbxlGDN_5cAlaGU5O-cPksy-wWH-rn7[3]機(jī)翼[DB/OL]/link?url=ItdeKedmisTCh-CIWSvpGZ9v1GeX3e9Oz48HCMFGyrTv9_JRj3EF7Ekd8enMhjnVlWQOIupxZj7oMrNp4RQwDK[4]R.P.Feynm