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为什么小小的螺旋桨就能使飞机飞起来呢?

 天选小丑 2020-02-15

为什么小小的螺旋桨就能使飞机飞起来呢?其实对于固定翼飞机来说,真正使飞机飞起来的力并不是直接由螺旋桨提供,一些无动力的滑翔机就是最好的证明。

在日常生活中,我们都有等地铁的经历,当高速驶来的地铁从身边经过时,我们总能感受到一股力来将我们推向地铁,其实这股力和把飞机升到天上的力是一样的,它们都和伯努利定理有关。伯努利定理表明,在一个流体系统中,气体或者液体的流速越快,则压力越小。当地铁快速从我们面前经过时,我们面前的空气由于地铁的带动,其流速要大于我们身后的空气,由伯努利定理可知,我们身后的空气压力会高于身前,因此身后的空气会产生一个朝向地铁的推力,所以为了安全起见,我们等地铁时一定要站在警戒线之外。

伯努利定理由瑞典数学家丹尼尔·伯努利于1738年提出,伯努利认为不可压缩的理想流体沿着流管作定常流动时,随着流体流动速度的增加,其静压将逐渐减小动压逐渐增大,而流体的流动速度减慢时,则静压将逐渐增大动压逐渐减少,在流体流速变化过程中,流体的静压和动压之和保持不变,因此,伯努利定理其实也体现了理想流体定常流动中的能量守恒原理。

对于一个在空中飞行的螺旋桨飞机,其主要受到四个方向的力,既向后的空气阻力、螺旋桨提供的向前的推力/拉力、以及向下的重力和飞机自身产生的向上的升力,我们知道飞机之所以可以飞在天上,就是因为其自身产生的升力抵消了重力 ,那么飞机的升力是如何产生的呢?

由伯努利定理可知,在流体系统中流体的流速越快则压力越小,而飞机正是利用了这个原理来为飞行提供升力。我们沿垂直方向将飞机机翼剖开会看到下图所示的截面图。

如图所示,当前方的空气吹过机翼表面时被切割成上下两部分,虽然空气都是从机翼的前端流向后端,但是由于机翼上表面是弧形结构,这就造成空气从上表面流过时走过的实际路程要长一些,由此可知机翼上表面的空气流速要大于下表面,由伯努利定理可知,机翼上表面由于空气流速快会形成低压区,从而使机翼上下面受到的空气压力不同,而飞机机翼的升力正是来自于这种压力差。

知道了飞机升力的来源,再简单介绍下飞机螺旋桨拉力的来源,当飞机启动后,飞机前部的拉力式螺旋桨快速旋转,从而使飞机产生向前的力,值得注意的是这个力的产生原因也和伯努利定理有关,如果你仔细观察会发现,飞机的螺旋桨截面图和飞机机翼是非常相似的,旋转的螺旋桨其实就相当于在空气中快速飞行的机翼,因此螺旋桨产生的拉力也是来自于桨叶表面的压力差;

但是对于可变距螺旋桨来说,螺旋桨旋转产生的力一方面来自于伯努利定理造成的气压差,另一方面则来自于螺旋桨叶片产生扭角后具有了向后“推”空气的分量,根据力的相互作用原理,螺旋桨叶片也会受到向前的力,因此可变距螺旋桨产生的拉力来自于“压力差”和“空气反作用力”两个方面。

当飞机螺旋桨启动后,由螺旋桨产生的拉力使飞机快速的向前滑行,同理,飞机的机翼也在空气中快速的前进,由于机翼上表面的弧形结构,造成机翼上表面受到的气压小于下表面,从而使飞机获得升力。随着飞机滑行的速度越来越快,机翼上下表面的气压差也会越来越大,当这种压力差大于飞机自身的重力时,飞机就会飞起。

因此螺旋桨虽然不直接通过飞机的升力,但是其通过拉动飞机快速前进,使机翼在空气中快速滑行,从而在飞机机翼表面产生气压差,进而产生升力。同样,对于飞机后面有喷气口的现代喷气式飞机来说,这种“喷气口”所起到的作用和“推力式螺旋桨”相同,都是对飞机产生向前的推力,但是飞机飞起来的升力还是主要作用在飞机的机翼上。当然,仅通过螺旋桨也是可以使飞机起飞的,比如我们常见的直升飞机,直升飞机螺旋桨产生升力的原因其实和固定翼式飞机螺旋桨产生拉力的原因相同。

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