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升力的产生


  任何航空器都必须产生大于自身重力的升力才能升空飞行,这是航空器飞行的基本原理。前面我们提到,航空器可分为轻于空气的航空器和重于空气的航空器两大类,轻于空气的航空器如气球、飞艇等,其主要部分是一个大大的气囊,中间充以比空气密度小的气体(如热空气、氢气等),这样就如同我们小时候的玩具氢气球一样,可以依靠空气的静浮力升上空中。远在一千多年以前,我们的祖先便发明了孔明灯这种借助热气升空的精巧器具,可以算得上是轻于空气的航空器的鼻祖了。

  然而,对于重于空气的航空器如飞机,又是靠什么力量飞上天空的呢?

  相信大家小时候都玩过风筝或是竹蜻蜓,这两种小小的玩意构造十分简单,但却蕴含着深刻的飞行原理。飞机的机翼包括固定翼和旋翼两种,风筝的升空原理与滑翔机有一些类似,都是靠迎面气流吹动而产生向上的升力,但与固定翼的飞机有一定的差别;而旋翼机与竹蜻蜓却有着异曲同工之妙,都是靠旋翼旋转产生向上的升力。

  机翼是怎样产生升力的呢?让我们先来做一个小小的试验:手持一张白纸的一端,由于重力的作用,白纸的另一端会自然垂下,现在我们将白纸拿到嘴前,沿着水平方向吹气,看看会发生什么样的情况。哈,白纸不但没有被吹开,垂下的一端反而飘了起来,这是什么原因呢?流体力学的基本原理告诉我们,流动慢的大气压强较大,而流动快的大气压强较小,白纸上面的空气被吹动,流动较快,压强比白纸下面不动的空气小,因此将白纸托了起来。这一基本原理在足球运动中也得到了体现。大家可能都听说过足球比赛中的“香蕉球”,在发角球时,脚法好的队员可以使足球绕过球门框和守门员,直接飞入球门,由于足球的飞行路线是弯曲的,形似一只香蕉,因此叫做“香蕉球”。这股使足球偏转的神秘力量也来自于空气的压力差,由于足球在踢出后向前飞行的同时还绕自身的轴线旋转,因此在足球的两个侧面相对于空气的运动速度不同,所受到的空气的压力也不同,是空气的压力差蒙蔽了守门员。

  对于固定翼的飞机,当它在空气中以一定的速度飞行时,根据相对运动的原理,机翼相对于空气的运动可以看作是机翼不动,而空气气流以一定的速度流过机翼。空气的流动在日常生活中是看不见的,但低速气流的流动却与水流有较大的相似性。日常的生活经验告诉我们,当水流以一个相对稳定的流量流过河床时,在河面较宽的地方流速慢,在河面较窄的地方流速快。流过机翼的气流与河床中的流水类似,由于机翼一般是不对称的,上表面比较凸,而下表面比较平,流过机翼上表面的气流就类似于较窄地方的流水,流速较快,而流过机翼下表面的气流正好相反,类似于较宽地方的流水,流速较上表面的气流慢。根据流体力学的基本原理,流动慢的大气压强较大,而流动快的大气压强较小,这样机翼下表面的压强就比上表面的压强高,换一句话说,就是大气施加与机翼下表面的压力(方向向上)比施加于机翼上表面的压力(方向向下)大,二者的压力差便形成了飞机的升力。

  当飞机的机翼为对称形状,气流沿着机翼对称轴流动时,由于机翼两个表面的形状一样,因而气流速度一样,所产生的压力也一样,此时机翼不产生升力。但是当对称机翼以一定的倾斜角(称为攻角或迎角)在空气中运动时,就会出现与非对称机翼类似的流动现象,使得上下表面的压力不一致,从而也会产生升力。

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