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飞机:天空中的大鸟

2017-09-20 15:45  来源: 科普中国-科学原理一点通

当人类穿上航天服,随意控制着飞机的方向,像快乐的小鸟一样,想到哪儿就到哪儿,多幸福。飞机是如何飞上天的,又是怎样自由航行的,揭开科学的谜底,为想象插上翅膀。

 

飞机为什么能在天空飞翔?

 

飞机的密度大于空气,和利用空气浮力升空的飞艇、气球等飞行器不同,当机翼在空气中不停运动,产生的动力就是飞机的升力来源。

要想知道飞机升力的产生,首先要认识空气流动遵循的特性:伯努利定理和连续性定理。

明白了这些原理,还要知道“流管”的概念。科学家把空气的流动假设成在看不见的管道中进行的,这些看不见的管道称为“流管”。当空气在同一时间内在流管流动时,各个截面的流经空气质量是相同的,就叫连续性定理。伯努利定理是:空气在流管中流速大的地方压强小,反之,流速小的地方压强大。在机翼的横截面上,可以看到弯曲程度要比下表面的大。

空气在前缘的气流流过机翼时,被分为两部分从机翼上下表面流过。在一瞬间分离的空气,根据连续性定理,会同时到达机翼的后缘,在此汇合迅速向后流去。空气流动的空间缩小,是由于机翼上表面向上弯曲导致的,这样反而使速度就加快了。当空气流动在机翼下表面的空间扩展,速度会变慢。

当机翼上表面较快的气体压强小于机翼下表面较慢的气体压强,再根据伯努利定理,飞机凌空而起是因为机翼受到一个向上的合力升力,就像小鸟不停煽动翅膀一样的道理。

 

飞翔的飞机

 

飞机如何自由飞行?

 

飞机和汽车在地面用方向盘运动不同,飞机没有地面的支撑,方向的控制要靠空气流的升力托举,所以比汽车更加复杂。

飞机控制方向分为3种方式:

1.俯仰,飞行员将升降舵下偏,空气会给升降舵面一个向上的力,使飞机绕横轴转动,飞机就会下俯。要想让飞机抬头,升降舵上偏就可以了;

2.横滚,操纵驾驶杆让左副翼向下偏,翼面的空气会有一个向上的力,迫使飞机绕纵轴右滚,要想使飞机左滚,操纵左副翼上偏就行了。左右副翼的运动方向是相反的,这一点一定要注意;

3.偏航,就是平时说的拐弯,操纵垂直尾翼上的方向舵左偏,空气就会往右吹,给尾部向右的力矩飞机绕纵轴转动,机头向左转,向右也是一样的。

 

飞上天的飞机

 

飞机俯仰方向的控制:在飞机的尾部通常有一对小的水平方向的翼面,和燕子的尾巴相似,叫做水平尾翼(简称平尾)。在它的后缘,有两个升降舵可上下活动,可以控制飞机俯仰。当飞行员向后拉驾驶杆时,升降舵就会向上偏转,这样水平尾翼受气流的影响,产生向下的力将飞机尾部下压,飞机的头就会抬起来向上飞行。

当飞行员向前推驾驶杆时,升降舵向下偏转产生的气流,使水平尾翼产生向上的力,这样机头就会低头向下俯冲飞行;飞机偏航方向的控制:飞机尾部有一个垂直方向的翼面,叫做垂直尾翼(简称垂尾),有稳定性作用,可以使飞机向左或向右偏转。它的后缘有可活动的方向舵,控制着飞机偏航的方向。

当飞行员向右蹬脚蹬,方向舵会向右偏转,这样气流就会对垂直尾翼产生向左的力,机头会向右偏转。当飞行员向左蹬脚蹬时,方向舵就会向右偏转,这样飞机就会向左产生偏航;飞机滚转方向控制:飞机的副翼,位于飞机的左右机翼后缘外侧,是两个可活动的舵面。它能控制飞机向右、向左倾斜的角度(坡度)。当飞行员向左压驾驶杆时,飞机右侧的副翼相应地会向下偏转,右侧机翼弯度会增大,升力也会增大。同理,左侧的副翼会向上偏转,左侧机翼弯度会变小,升力也会减小。飞机接受左右升力的差而滚转。如果想随意滚转,只要向左向右拉驾驶杆就行了。

 

飞机抬头

 

飞行服上的纽扣消失之谜

 

飞行服是飞行员在飞行中,如果遇到极端的气候,可以保障机上人员的正常作业能力、维持基本的生命安全。是专供飞行人员在空中执行任务时穿的特殊服装,包括飞行头盔、围巾、手套、外衣裤、内衬衣裤、飞行靴等整套装备。一颗纽扣引发的灾难改变了飞行服上纽扣的命运。北约在20世纪50年代军事演习中,某国最先进的战斗机飞行表演时,升空不久就发生爆炸坠毁。调查的结果:导致设备故障的竟然是飞行服上脱落的一颗纽扣掉入机内,使得飞机失控坠毁。

此后,飞行服改用拉链和尼龙搭扣。不仅仅是纽扣,任何掉入飞机内的异物,当飞机做剧烈的机动动作时,这些异物都可能导致仪器设备失灵、电器短路、机件的卡滞等故障。飞行安全非常危险,有的直接机毁人亡。所以,飞机上的检查很严格,不允许有任何物体出现,以保证不出现意外。

 

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作者: 科学原理一点通   [责任编辑: 吕芮光]