伯努(nǔ)利(lì)定律
当空气遇上任何(hé)物体,比(bǐ)如说机翼(yì),空气会产生偏转,一些(xiē)空气从机翼上(shàng)表(biǎo)面通过,一些空气(qì)从机翼下表面通过。在这个流动过程(chéng)中会产(chǎn)生复杂的速度和压(yā)力的(de)变化。要产生升力,上下表面的平均圧力必须有差异(yì)才行。
伯(bó)努(nǔ)利的理论将流动的速度和流动中任意一点的压力联系起来。这个理论是运动和能量定(dìng)律的一个特殊顶(dǐng)用(yòng)。对(duì)于(yú)管道类和轮船周围的流动来说,它是(shì)一个最(zuì)基础的理(lǐ)论,对(duì)于空气动力学和飞(fēi)行来(lái)说也是一样(yàng)。
想象一(yī)个平(píng)滑(huá)流动或流线型(xíng)流动里面的空气(qì)微团(tuán),如果各个方向(xiàng)对它施(shī)加的(de)压力都是相等的(de)话,那么它(tā)就处于平衡(héng)状(zhuàng)态。如果有任何不同的压力,这个(gè)微团(tuán)的平衡就会(huì)被打破,根据牛顿(dùn)第二运动定(dìng)律,微团要么加(jiā)速要么减速。如果后部的(de)压力大于(yú)前部(bù)的压力(lì),速度会增加;反之,如果(guǒ)后面的压力小于前面的压力,速(sù)度则减小。因此,当(dāng)微(wēi)团接(jiē)近一个(gè)低压区时会加速,接近高(gāo)气压时会减速。我们(men)可以用另一种方法描述这(zhè)件事(shì)情,即如果流体速度降低(dī),其压(yā)力必然升高。微团(tuán)并不是孤立的(de),而是某个流动中的一部分,这个规律适用于(yú)每个微团的。因此(cǐ),流动(dòng)在接近低压或高压区时会(huì)分别加速或减速。这个原理(lǐ)的简单(dān)的数学表达就是伯努利定理,以(yǐ)下式表(biǎo)示,其中,ρ表示压力。
空气密(mì)度(dù)是常熟(密度不会改变),压力和速度因此就成了(le)变量,如果(guǒ)一(yī)个增加,则另(lìng)一个(gè)就见啥。这个原理的著(zhe)名(míng)的应用就(jiù)是(shì)文氏管,它通常用在航空领域来测量(liàng)控诉,在日常生活中用(yòng)于通过龙水龙头或橡胶软管(guǎn)二产生告诉水(shuǐ)流(liú)。
通过一个收缩管道的(de)流(liú)体,内(nèi)部空(kōng)间全部被(bèi)充满(mǎn)。在每个单(dān)位时间内,流进一(yī)定(dìng)质量(liàng)的流体,出口就流出(chū)同样质量(liàng)的(de)流体。在管道的收缩区,由于(yú)横截面较小,通过它的流体的速度(dù)必然增加,这样才能保证在相同的时间(jiān)内流(liú)出相同质量的流体。根据(jù)伯努利定理,这个速度的增加(jiā)必然造成收缩区压力的降(jiàng)低。途中耳(ěr)朵空气在收缩(suō)区域内变得(dé)长(zhǎng)而窄(zhǎi),在达到管(guǎn)道的宽阔处(chù)后(hòu)又变回其原(yuán)来的形状,这(zhè)样就形成流线。
经过任何(hé)物体的流动,只要是流(liú)线型的流动,就(jiù)会产生相似的流动(dòng)变形,同时伴随着速度(dù)和压力(lì)的变化。这根流(liú)过机翼的流动十分相(xiàng)似。
翼型和机翼升力系数(shù)
机翼的(de)效率受翼型的影响极大,在一定(dìng)程(chéng)度上是受翼(yì)型弯(wān)度和(hé)厚度的影响。
飞行(háng)器的机(jī)身和其他相(xiàng)似外形的部件也(yě)能产生一(yī)些微(wēi)小的升力,大小取决于他们的外形和(hé)迎角。对(duì)于航天飞行的(de)载(zǎi)人飞行器,专(zhuān)门(mén)设计了一个没有机翼的“升力(lì)体”,但对于(yú)通常的飞行器来说(shuō),机(jī)体(tǐ)对升力的贡献几(jǐ)乎是乐意忽略的(de)。然而,机身确实会产生一些与升力可比较的力,它影响着飞行器的稳定性,而且其总是与使飞行器(qì)处于(yú)给定(dìng)迎角下的(de)安定面的配平作用力(lì)相反。相似的横侧向不稳定打扰由(yóu)垂(chuí)直安定面来阻止,它是一个与机身成(chéng)直角(jiǎo)安装的(de)小型的翼面,能产生侧(cè)向力来纠正飞行器(qì)的偏航和侧滑。
对于水平飞行,飞行器产生的(de)总升力等于总重力(lì),所以可以写出下式
总升力=总重力
或者L=Wg
作(zuò)用力=反(fǎn)作用力
式中,W为飞行器重量(liàng)(kg);g为重力加速(sù)度。
这个公式在飞行器下滑或是(shì)爬升过程中是不适用的。影响升(shēng)力的因(yīn)素是飞行器(qì)的尺寸或面积、飞行速(sù)度、空(kōng)气密度等。
一个水平飞(fēi)行的飞行器,升力必须等于(yú)重力。如(rú)果(guǒ)飞行器的重力增加了(le),所需的(de)升力也(yě)必须增加,公式(shì)右(yòu)边的一个或多个(gè)参(cān)数值就必(bì)须增加。
机(jī)翼翼载(zǎi)
从(cóng)上面可(kě)以看出(chū),重量与机翼面积之比(翼载(zǎi))非常(cháng)重要。翼载经常(cháng)写成W/S,单位是千(qiān)克/平方米。忽略燃(rán)油(yóu)消耗造成的微小影响,在飞(fēi)行过程(chéng)中(zhōng),飞行器(qì)的重量是一个常熟。在给(gěi)定的(de)配平状态(迎角)下(xià)的速度完全(quán)取决于翼(yì)载。这(zhè)个关系可以通过整理升力公式得到。
对于滑翔机和下(xià)滑中的(de)飞(fēi)机来(lái)说,升力和重力并(bìng)不完全相等,L=Wgcosα,但是在一般的小于10°的俯冲角(jiǎo)或爬升角情况下,两者相差不多。增(zēng)加重(chóng)量(liàng)要求增加速(sù)度,这回耗费(fèi)更多的功率来保持飞行(在滑翔机(jī)中需要更强的上升气流保(bǎo)持滑翔飞行)。

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