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飞机为什么可以飞起来?原理是怎样的?
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虽然不是航空专业的,但这个问题我还是知道一点点,如果不好,建议百度。飞机分好多种,靠自身动力系统的有两种,一种是固定翼飞机,如民航客机,战斗机等;一种是旋转翼飞机,如直升机。不靠自身动力的主要是航天飞机。飞机能上天,主要是上升力大于自身重力,根据牛顿定律,(上升力-飞机重力)÷飞机质量=飞机获得的加速度,加速度在时间的平方上会产生距离,飞机逐渐远离地面飞了起来,但是不能无限上升,根据万有引力和开普勒定律,那需要达到一定的速度才行。1,不同的飞机上升力的方式不同,比如航天飞机,自身只有上天有,还得靠火箭,返回地面,靠的是第一宇宙速度进入大气和机翼在空气中的滑行,来产生上升力飞行。2,自身动力固定翼飞机,和航天飞机返回时一样,靠机翼在空气中滑行来提供上升力。空气是由无数细小分子组成的,这些分子不规则的向四面八方运动着,当机翼以一定的速度切割这团空气时,这些分子就与机翼有了相对的速度,一起向机翼的相反方向移动,但他们不甘心做这种运动,还想往四面八方跑,这时,就对机翼速度的垂直方向,产生了一个集体的朝向机翼的运动,由于机翼的设计,使机翼上面的空气与机翼的相对速度快,要改变这种状态有点难,向下的力就小的;而机翼下面的速度慢,要改变这种状态很容易,向上的力就大,就产生了一个向上举机翼的力,飞机就飞起来了。3,自身动力旋转翼飞机,和电风扇原理类似,只是相反的向下产生推力,使飞机上升。可能说的不是很清楚,还是建议百度。
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要知道飞机为什么可以飞起来,得先了解伯努利定理。
伯努利定理由“流体力学之父”伯努利于1783年提出,内容是:在流体(气体、液体)中,流体的流动速度越大,压力越小。
怎么理解呢?我们不妨来做一个小实验。左右两手各拿一张纸,把纸的侧面(即只能看到一条线的一面)朝向自己放在嘴前,用力往两张纸的中间吹口气,我们会发现两张纸并没有被吹开,反而被吹得贴在了一起。这是因为在我们吹气时,两张纸中间气体的流动速度大于纸的外侧(其实外侧气体的流动速度为0),根据伯努利定理,中间的压力小于外侧的压力,于是纸就被外侧的气体压得贴在了一起。
飞机就是凭借伯努利定理而飞起来的。仔细观察一下机翼,我们会发现机翼上下两侧的形状是不一样的,上侧的形状有明显的凸起,而下侧却几乎是平的。这会导致什么现象呢?让我们一起来分析一下。
当飞机开始滑行时,机翼上下两侧的空气在相同的时间内都从机翼前端流动到了末端,由于两侧的形状不一样,上侧空气流过的路程大于下侧,导致上侧的压力小于下侧,对机翼来说就相当于受到了一个向上的力,也就是升力。而且,随着飞机速度的增加,机翼两侧的压强差也越大,升力也就越大,当速度块到一定程度的时候,升力就会大于重力,这样,飞机就飞起来了。
川陀太空
20170618
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我们先从最基础的中学认知来讲起,飞机的两个发动机向后喷气,产生推力飞机向前运动,这时候就有气流流过机翼,而机翼的横截面是一个上表面弯曲下表面相对平直的形状,气流流过机翼,流过上表面的路程比下表面的长,所以上表面气流比下表面流速快。
而根据中学阶段所学的伯努利原理,流速快的地方压强小,流速慢的地方压强大,当飞机起飞滑跑不断加速,流过机翼的气流越来越快,上下压力差越来越大,流过机翼的气流越来越快,上下表面压力差也越来越大,当向上托举的力越来越大,增大到足够大时,飞机就飞起来啦!
当然,到目前为止,这个应该只适合我们中学阶段的认知与理解。
但是,有没有人产生质疑,既然这样的话,那飞机将无法转向或者爬升。
那么,真相来了,事实上,飞机能之所以能飞起来,其真实原因并不是伯努利定理,而是由于飞机的迎角产生升力。
所以,接下来我们从更专业的受力角度来分析一下。
以我们熟悉的风筝为例来分析下,如果有风,有线牵着的风筝就会往上飞。如果没风,只要你拉着风筝跑,也会让风筝飞起来。风筝这时受到的力,一个是风筝线的拉力,另一个就是空气的阻力。
因为风筝迎风面通常是与空气阻力方向形成一定的角度,其水平方向的分力与风筝线的拉力抵消,而竖直方向的力则除了克服重力外就变成了向上的升力,当竖直分力大于风筝的重力时,风筝就飞起来了。
水平分力与竖直分力的比例,取决于风筝平面与空气相对流动方向的夹角,如果风筝迎风面是平行于空气流的,阻力最小,但升力为零,当风筝迎风面是垂直于空气流时,阻力最大,升力同样是零。只有风筝迎风面与空气流的角度在0度到90度之间时,才会产生向上的分力,也就是升力。当然,当这个角度超过90度时,其竖直方向的力的方向就向下了,风筝就掉下来了。
飞机和风筝的道理是一样的,只不过飞机的“拉力”变为了发动机提供的动力而已,所以飞机在起飞的时候会有一个有一定角度的斜坡来“助力”,其实就是有角度然后一部分平衡重力,一部分提供升力。
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作用力与反作用力原理
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很多人认为,飞机是靠飞机发动机的推力把飞机推上天的,其实这样的回答只正确了一半。飞机飞行的确离不开发动机的动力,但是发动机提供的推力是不足以把飞机抬起来的。以目前最大的民航客机波音777-300ER,它搭载的两台发动机GE90-115b,是目前世界上推力最大的商用发动机,单台最大推力可以达到500千牛,也就是50吨的力,两台发动机加在一起的总推力可以达到100多吨,力量的确惊人,但是要知道波音777-300ER最大起飞重量可以达到350吨,两台发动机加在一起的最大总推力其实还不及飞机最大重量的30%。
飞机之所以能飞起来,归根结底来自机翼提供的升力,固定翼飞机如此,旋转翼飞机也是一样的道理。至于升力的产生原理,这个就牵涉到大学里的一门比较难懂的课程《流体力学》中的一个知识——伯努利原理。
伯努利原理的实质是流体的机械能守恒,或者用公式来表达就是流体的动能、重力势能与压力势能之和为常数。用这个原理我们可以推论出流体流速非常快时,压强就会变得很小;相反的,流速慢时,压强相对较大。用这条推论就可以解释为什么飞机机翼会产生升力。
机翼的截面其实是一个不规则形状,机翼上方略微凸起,下方则相对扁平,如下图。飞机发动机启动后,推动飞机向前运动,于是机翼和空气产生了相对运动,或者说对空气进行了切割运动。由于机翼上缘弧线较长,下缘弧线较短。因而根据上面这个推论,我们就知道流过机翼上表面的空气流流速较快,压强较小;流过机翼下表面的空气流流速较慢,压强较大,上下表面就产生了压强差,并且机翼下方压强大于上方压强,于是产生了向上的合力,这个合力就是升力。并且升力的大小和机翼面积成正比,和空气的流速的平方成正比,也就是说空气流速加快,升力的大小是以速度平方的倍数增长的。
飞机静止的时候,流过机翼表面的速度为0,此时飞机的升力也为0。当飞行员启动飞机发动机,飞机开始向前运动,机翼切割空气产生相对气流,此时机翼开始产生升力,并且升力随着飞机滑跑速度的增大而快速增大。直到某一时刻,飞机的升力等于飞机自身的重力的时候,飞行员拉杆使飞机抬头,飞机便可以上天了。
直升飞机起飞原理也是如此,直升飞机的机翼截面形状和固定翼飞机截面形状相似,也是上方略微凸起,下方则相对扁平。只不过直升机机翼不同于固定翼飞机的机翼,他们是通过旋转运动来切割气流的。发动机启动后,机翼开始旋转,机翼与空气产生相对运动,于是就产生升力了。
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