爱读书 探索 流体力学中伯努利定律把仰角调整到90°可以让飞机竖着飞吗

流体力学中伯努利定律把仰角调整到90°可以让飞机竖着飞吗

作者:天体生物学·黄姤

飞机为什么会飞?

其中的原理相信很多人都有听说过,原理是固定翼飞机的机翼,由于机翼上表面的弯度大于下表面的弯度,上表面气流的流速整体上要高于下表面的气流速度,根据伯努利理论,气流作用在机翼上表面的静压力整体上要小于作用在下表面上的静压力,由于上下表面的压力差的存在,使得机翼最终受到了一个向上的合力,也就是说机翼上下两个面的弧度是不一样的,上表面的弧度比较大、路径比较长下,表面的弧度比较小、路径比较短,当飞机快速前进的时候空气通过上下两侧在机翼的后端会合,会产生不同的运动距离,机翼上表面气流的流速整体上要高于下表面气流的速度,根据流体力学伯努利定律,空气速度高的地方压强较小,所以机翼上下表面就会产生一个压力差,这个压力的合力就是向上的飞机的升力。

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对于飞机为何产生升力,这个是很多人听过的解释,但是这个对飞机升力的解释不是完全正确的甚至可以说是不正确的,因为如果这个理论是完全正确的话,那么有些问题是无法解释得通的,比如我们看很多飞机的机翼是前边厚,后边薄,如果按照上面说的理论,只要上表面路径长就会有升力,那么设计成中间厚,前后都薄不就行了吗?按照上面的理论,那么飞机起飞直接加速就可以了,速度够了就直接起来了,那么为什么飞机起飞的时候要拉高机头呢?为什么有的飞机是可以上下倒着飞(躺着飞)?如果按照的原理躺着飞的飞机重力和机翼的升力都是朝下的,飞机不是应该一头栽下来吗?那些飞得很好的纸飞机,它的机翼就是纸,上下面的弧度都是一样的没有路径长短的区别,那么它的升力是怎么来的呢?

很显然,上面的这些疑问这个理论是无法解释的,美国国家航空航天局NASA就官方发文否定了这个理论,根据NASA的实验:

机翼上下两个表面的气流虽然在机翼前端同时分开,但是根本没有在机翼尾端同时汇合,另外,实验也表明一个上下表面长度相同的机翼仍然可以产生足够的升力。

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飞机的升力原理到底是什么?

因为流体力学研究对象的高度复杂性目前有很多领域是尚未清晰的,以目前来讲大家对飞机升力的现象比较倾向于这样的解释:

第一:康达效应、

流体会离开本来的流动方向而随着凸出的物体表面流动的倾向。

大家可以尝试一个这样的实验:把一条汤勺放在水笼头的水流下方,水流的方向会改变,紧贴着汤勺的凸面流下去。

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康达效应表明流动的流体很喜欢凸面的物体,容易被凸面的物体所吸引,根据牛顿第三定律两个互相作用的物体之间有作用力就会有反作用力,气流被凸面吸引,那么凸面物体也会被气流吸引。

第二:下洗、

飞机机翼的上翼面设计成前面高、后面低的状态,并且以凸面的状态圆滑过度,这样的设计会使得本来水平经过机翼上方的气流,因为康达效应会被机翼的上凸面向下吸引,在气流离开机翼的时候是略微向下后方向的,这个现象被称作是——下洗。

一个本来是水平来的气流被变成了略微向下方向的下洗气流,那么机翼就会获得一个向上的力量,或者可以理解为机翼这个凸面物体被机翼上方的气流吸引了,所以只要机翼的设计能把前方来的水平气流导向偏下方,机翼就会获得一个升力,这就是为什么纸飞机也能飞的原因。

一个叠的好的纸飞机,它在飞行过程中能把经过自己的气流稍微引导向下,而空气给它的反作用力的受力点和它本身的重心配合恰当,使它能继续保持这种飞行姿态,那么纸飞机就可以充分利用自己的动能和重力势能转化为升力。目前纸飞机飞行距离的世界纪录是69米。

而如果纸飞机没有叠好的话,比如说把经过自己周围的气流太大力地引导向下了,这样的纸飞机一扔出去就会立刻爬升,然后速度降为0就迅速坠落,或者没有把气流引导向下而是引导向上了,这样的纸飞机扔出去会直接钉到地面上。

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飞机能倒着飞的原理

在飞机倒着飞的时候,如果飞机的飞行姿态、机翼以及副翼的配合能把迎面来的气流倒向地面的话也是能获得升力的,在风洞实验中飞机的机翼如果向上抬起和迎风的方向有一个适当的角度,这种向下引导气流的能力就会显著地加强,也就是说飞机机翼的升力效率会和机翼与迎风方向的夹角有一定的变化关系,飞机机翼和迎风方向的这个夹角被叫做——仰角。

这个就是为什么见到飞机起飞的时候都要先抬升机头而不是几个轮子同时离地,因为抬升机头会使得仰角增加,机翼的升力效率会大幅的提升,就可以在较慢的速度下获得更高的升力,从而不需要加速到更快就能起飞。

飞机降落的时候也是一样的,飞机不是几个轮子同时着地的,而是在飞机即将接触地面的时候,飞行员将机头抬升,这个时候向下降落的飞机会因为机翼仰角的增加而获得更高的升力,从而使飞机以一个切线的方向和地面接触,这个是最安全的降落方式,如果不这样做的话,飞机不能以切线方向和地面接触而是几个轮子同时着地,飞机在这一瞬间所受到的垂直冲量会非常的巨大,这个基本上离机毁人亡就不远了。

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仰角的增加会让飞机的升力效率大幅提升,把仰角调整到90°让飞机竖着飞可以吗?

这个想法是挺好的,可是世界不是按照人们一拍脑门想出来的方式运行的,除了战斗机在做眼镜蛇机动的时候,有那么一两秒钟飞机是竖着向前移动的,有谁见过民航客机是竖着往前飞的?

没有啊!

飞机竖着向前移动这种情况,只有在飞机的牵引力大于自身重力的情况下或者是火箭才有可能完成,绝大部分飞机是无法做到的,在一般情况下机翼的升力系数(升力效率)会随着机翼仰角的增加而增加,但是当机翼的仰角增加到一定程度以后会达到一个临界值,这个时候如果仰角继续增加,那机翼获得的升力将会迅速降低,升力系数是随着仰角变化的曲线,因为仰角超过临界值而导致升力下降的状态,在流体力学里叫做——失速。

固定翼飞机的失速,指的是飞机获得的升力突然减少导致飞行高度迅速降低的状态,而不是说飞机失去了前进的速度,飞得很快的飞机也会失速,飞机的失速绝大部分情况是和机翼的仰角过大有关。

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为什么会失速?

原因就是当机翼的仰角到达某一个临界值的时候,康达效应就开始减弱了,下洗气流开始消失,机翼的上表面会开始变得无法将水平来的气流引向斜下方,这个时候的飞机就处在失速的临界状态。

风洞实验里气流随着机翼仰角的增加而产生的变化,不同的飞机翼型设计仰角的临界值会各有不同,飞机在失速的临界状态会产生很明显的信号,由于机翼后方会产生湍流导致机身会发生异常的抖动,飞行员对飞机的控制行为也会变得滞后、迟钝,如果这个时候飞机的仰角继续增加,那么飞机就会失去足够的升力进入失速状态。

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当飞机处于失速状态的情况下会有什么影响

飞机的失速就像在高速上开车经过了一片冰面时开始打滑,有经验的司机都知道高速行进的汽车开始打滑,是一件多么恐怖的事情,汽车轮胎和地面之间本来是可控的静摩擦力,汽车一打滑变为了无法控制的动摩擦力,司机将失去对汽车的几乎所有控制权,所以在高速车祸的电影中经常能看到有些高速行进的汽车,一旦打滑因为4个轮胎的摩擦力各有不同,就会产生各种旋转,汽车就会失控。

失速对于飞机来讲就像是高速的汽车在打滑,飞行员会失去大部分对飞机的控制能力甚至是完全失去控制,可能会产生极其严重的后果,例如飞机可能会进入尾旋状态,尾旋状态是因为飞机在失速过程中左右机翼产生了不协调的失速,飞机会绕着失速严重的一侧旋转并且急速下降。

举例说明:

相信很多人都有看到过秋天的落叶,有时候你会看到有些叶子是转着圈地落到地面上的,进入尾旋状态的飞机基本上就是这个样子的。

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尾旋,是一种非常严重的状态,它具有低空速和大下降率的特点,也就是说不怎么往前飞了,却以很快的速度坠向地面,而且尾旋的状态会对飞机的机体结构产生巨大的压力,甚至是破坏。动力强的小型飞机在有足够高度的情况下,是有机会能够脱离尾旋状态的,而大型飞机在尾旋状态下几乎无法自救,甚至在坠地前就可能空中解体了,即使飞机在失速的过程中左右两翼是协调的,整体平稳没有发生尾旋或侧倾,但是在失速状态下的飞机,因为升力不足会向下掉落,本来前进的飞机,方向改为了向前下方,对于飞机的机冀来讲就是本来向后的气流,改为了向后上方的气流,这就等于更加增大了机冀的迎风角度,也就是机冀的仰角,这会导致飞机更严重地进入失速状态。

对于任何的固定翼飞机来讲,飞行高度不足的失速状态都可能是致命的,即使是那些推力足够大能垂直起降的战斗机,在低空飞行时遇到失速状态也很有可能是来不及反应的,即使高度足够成功摆脱失速状态的飞机,也会失去一定的高度。

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黄姤结语·失速速度

关于失速,除了机翼的仰角还有一个概念叫做——失速速度,它指的是如果飞机飞行的速度较慢,为了获得足够的升力,就得增加机翼仰角以增加升力效率,随着飞机速度的降低,当机翼的仰角增加到某一个临界值的时候,飞机将再也无法获得足够的升力开始向下坠落,这个时候的速度就被称之为这个飞机的失速速度。飞机的飞行速度必须高于失速速度才能安全地飞行,处于失速速度的飞机是无法爬升的,低于失速速度的飞机下降是无法避免的,一般情况下当飞机在大仰角低速度以及大侧倾角转弯的时候比较容易发生失速。

正因为失速如此危险,特别是民航客机都会装载有失速检测系统,用于在濒临失速的状态下警告飞行员及时采取措施,例如增加牵引力、降低仰角避免使飞机进入失速状态。

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