流体压强知识:飞机为什么能够飞起来?
我们在认识静止液体和气体压强的基础上,来认识流动液体或气体的压强。
什么叫流体?流动的气体或液体。流体的流速和横截面积等因素有关。横截面积大,流速小。反之,流速大。例如:在河道的较窄处或者浅处水流速快。在窄的出风口处,空气的流速快。在管道的较窄处,气体或液体的流速快。
科学家研究得出结论:流体的压强大小与流速有关。流速大的地方,压强小;流速小的地方,压强大。
有一个简易的实验,可以验证这个结论。手握二张纸,让纸自由下垂,用嘴在二张纸之间,用力垂直向下吹气,发现两张纸向内靠近。因为吹气,中间的空气流速快,压强小,两张纸的外侧是大气压强较大,压强差向内,使两张纸相互靠近。
用这个原理可以说明普通的飞机为什么能够飞起来。
普通飞机在飞行时,机翼把空气分成上下两部分,上下两部分的空气在相等的时间内通过的距离不相等,导致机翼上方空气流速快,压强小,下方空气流速慢,压强大,这个压强差就是飞机的升力。
为了使飞机获得足够的升力,需要飞机的速度很大。于是,在机场上就要修有一条很长的跑道,使飞机加速到起飞需要的速度,而航母则是用弹射的方法使飞机在短时间内获得起飞速度。
飞机的发明是仿生学发展的结果。人类很早以前就梦想像鸟儿一样在空中飞翔。通过观察发现,鸟儿在空中展翅滑翔时也不会坠落,许多科学家和飞行爱好者经过长时间的研究和模拟,才发明了飞机。
飞机升力产生的原理对人类有益,也对人类有害。一方面,我们要利用它为人类服务,另一方面我们要预防它给人类造成伤害。
赛车尾部安装的偏流器形状与普通飞机翅膀形状是一样的,但流线方向是朝下的,压强差是向下的,这个压强差使赛车对地面的压力增大而紧紧地“抓住”地面。
在火车站站台上等候火车时,你不能越过站台的安全白线。否则,人体受到的压强差会把你“推”向火车,非常危险。在家中,如果外面风力较大,门口的“过堂风”会自动把门关上,压强差会把窗帘“拉”向窗外。
一般的汽车是做成流线型,流线方向是朝上的,主要是为了减少空气的阻力,但快速行驶时,产生的压强差是向上的,使车子对地面的压力减小,超过一定的速度,车子就会产生“漂移”。因此,在高速公路上,小型车辆也是限速的。
日常生活中,有大风的雨天,伞有可能被风吹翻卷,强对流天气,普通的屋顶、地面上物体被卷向空中,都是飞机的升力原理对人类造成的危害。
飞机升力产生的原理,还用于流动的液体。在海洋中,二只船是不能并列行驶的,否则,液体的压强差会把两只船向内“挤压”,从而,易发生撞船事故。
再说直升飞机。
直升机为什么能够飞行。直升飞机能够垂直起降,能够在空中悬停,能够沿任意方向飞行,缺点就是飞行速度较低,航程也较短。
直升机的升力和推力均通过螺旋桨旋转动获得的。即直升机的主副螺旋桨(主旋翼与尾翼)可在水平和垂直方向上对机身提供动力,不需要普通飞机巨大的机翼。
直升机飞行时,主旋翼不断地旋转,空气流过螺旋桨的上表面,流速加快,压力减小;空气流过螺旋桨下表面时,流速变慢,压力增大。这样,螺旋桨的上下表面就形成了压力差,产生一个向上的拉力。拉力大小受许多因素的影响,比如螺旋桨与气流流动的角度、空气密度、机翼的大小和形状、气流的相对速度等。各个螺旋桨拉力之和就是螺旋桨产生的向上拉力。
直升机水平飞行时,主旋翼的螺旋桨会形成有一定锥度、底面朝上的大锥体(称为旋翼椎体)。螺旋桨的拉力垂直于旋翼椎体的底面并与重力在一条直线上。当向上的拉力大于直升机自重,直升机就上升,小于直升机自重,直升机就下降,刚好相等,直升机就悬停。
直升飞机在起飞时,主旋翼的螺旋桨越转越快,产生的升力就越来越大。飞行中,飞行员可以通过改变主旋翼螺旋桨旋转的速度来调节高度。
直升机有一个飞行优势:它可以在不改变飞机飞行方向的情况下,随时发生平移。这种移动是通过改变主旋翼螺旋桨的旋转倾角来实现的。此时,主旋翼螺旋桨所产生的力可分解为垂直和水平两个方向的分力,垂直方向的分力用于保持飞行高度,水平方向上的分力可使机身产生平移。
直升机尾翼的作用。牛顿第三定律告诉我们:“相互作用的两个物体之间的作用力和反作用力总是大小相等,方向相反,作用在同一条直线上”。如果直升机只装有主旋翼,机身和主旋翼螺旋桨的作用力和反作用力,会使机身发生“不由自主”地转动,直升飞机就不能保持稳定。
要保持机身的稳定,须增加一个额外的力来抵消这种旋转,这就是直升机尾部安装的尾翼作用。当直升机处于直线飞行时,尾翼的推力与主旋翼螺旋桨的反作用力就构成一对平衡力。
为了控制反作用力,直升飞机是按照对称的方式排列尾翼的。如左右对称,前后对称给直升机装上两个大小相等,旋转方向相反的旋翼来抵消反作用力,其中,最简单方法就是在飞机的尾部装一个垂直旋转的尾翼,通过“拉推”的方法抵消反作用力。通过控制尾翼“拉推”力的大小,可以达到使直升机转弯,实现直升机的转向。
所以,尾翼的作用就是保持直升机航向稳定,同时,还可以控制飞机的左转和右转。为了不让尾翼碰到主旋翼,飞机的机身要加长,因此,直升飞机就有了蜻蜓式长尾巴。
总之,直升机是靠主旋翼螺旋桨旋转动产生升力,靠尾部的尾翼来平衡反作用力和控制飞机的转弯。
日常生活中,直升飞机升力产生原理也有应用。就是装在室内顶部的吊扇。吊扇有三个螺旋桨(三个,起平衡作用)式的风扇叶,其弯曲面向上,空气流速快,压强小,凹面向下,空气流速慢,压强小,所以,产生的升力方向上,吊扇在转动时对固定点产生的拉力小于风扇的重力。由于力的作用是相互的,风扇对空气产生的推力推动空气向下流动。
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