伯努利(lì)定律
当空气遇(yù)上任何物体(tǐ),比如说机(jī)翼,空气会(huì)产(chǎn)生偏(piān)转,一些空气从机翼上表面通过,一些空(kōng)气从机翼下表面(miàn)通过。在这个流动过(guò)程中会产生复杂的速度和压力的变化(huà)。要产生升力,上(shàng)下表面的平(píng)均圧力必须有差异才行。
伯努利的理论将流动(dòng)的速度和流动中任意一点的压(yā)力联(lián)系起来。这个理论(lùn)是运(yùn)动和能量(liàng)定(dìng)律的(de)一个(gè)特(tè)殊顶(dǐng)用。对于管道(dào)类和轮船周围的流动来说(shuō),它是一(yī)个最基础的理(lǐ)论,对于空气动力学(xué)和飞行来说也(yě)是一样。
想(xiǎng)象一个平滑流(liú)动或流(liú)线(xiàn)型(xíng)流动里面的空气微团,如果各个方向(xiàng)对它施加的压力(lì)都是相等的话,那么它就(jiù)处于平衡状态。如果有任(rèn)何(hé)不同的压力(lì),这(zhè)个微(wēi)团的平(píng)衡就(jiù)会被(bèi)打破,根据牛顿(dùn)第二(èr)运(yùn)动(dòng)定律,微团要么(me)加速要么减速。如果后部的压力(lì)大于前部的压力,速度会(huì)增加;反之,如(rú)果(guǒ)后面的压力(lì)小于前(qián)面(miàn)的压力,速(sù)度则(zé)减小。因此,当微团接近一个(gè)低压区时会加速,接(jiē)近高气压时会减(jiǎn)速。我们(men)可以用另(lìng)一种方法描(miáo)述这件事情,即如果流体速度降(jiàng)低(dī),其压力必然升(shēng)高。微团并不是孤立的,而是某(mǒu)个流动中的(de)一部分,这个(gè)规律适用于每(měi)个微团(tuán)的(de)。因此,流动在接近低压或高(gāo)压区时会分别加速或减速。这个原理的简单(dān)的数学表达就是伯努利定理(lǐ),以下式表示,其中,ρ表示压力。
空(kōng)气密度(dù)是常熟(shú)(密(mì)度不会改变),压力和速度因此就(jiù)成了变量,如果一个增加,则另一个(gè)就见(jiàn)啥(shá)。这个原理的(de)著名的应用就是文氏管,它(tā)通常用在航空领域来测量控诉,在日(rì)常生活中用于(yú)通(tōng)过龙水龙头或橡胶(jiāo)软管(guǎn)二产生告诉(sù)水流。
通过(guò)一个收(shōu)缩管道的流体(tǐ),内部空间全部被(bèi)充满。在(zài)每个单位时间内,流(liú)进一(yī)定质(zhì)量的流体,出口就流出同样质量的(de)流体。在管道的收缩区(qū),由于横截面较小,通过(guò)它(tā)的流(liú)体的速度(dù)必然增加(jiā),这样才能保证在相(xiàng)同的时间(jiān)内流出相同质量(liàng)的流体。根据伯努利定理,这(zhè)个(gè)速度的增加必然(rán)造成收缩区压力的(de)降低。途中耳朵空气在收缩区域内变得长而窄(zhǎi),在达到(dào)管道的宽阔(kuò)处后又变回(huí)其原来的形状,这样就形成流线。
经过任(rèn)何(hé)物体的流动,只(zhī)要是流线型的流动,就会产生相似的流动变形,同时(shí)伴随着速度和压力的变化。这根(gēn)流过(guò)机翼(yì)的流(liú)动十分(fèn)相似(sì)。
翼型和机(jī)翼(yì)升力系数
机翼的效率(lǜ)受翼型的影(yǐng)响极大,在(zài)一定程度上是受翼型弯度(dù)和厚(hòu)度的(de)影响。
飞行器的机身(shēn)和其他(tā)相似外形的(de)部件(jiàn)也能产生一些微小的升(shēng)力,大小取(qǔ)决于他们(men)的外形和迎角。对于航天(tiān)飞行的载人飞行器(qì),专门设(shè)计了一个没有机翼的“升力体”,但对于通常的飞行器来说,机体对升力的贡献几(jǐ)乎是乐意忽略的。然而,机身确实会(huì)产生(shēng)一些与升力(lì)可比较的力,它影响(xiǎng)着(zhe)飞行器的稳(wěn)定性,而(ér)且其(qí)总是(shì)与使(shǐ)飞行器处于给(gěi)定(dìng)迎角(jiǎo)下的安定面的配平作用力相反。相似的横侧向不稳定打扰由垂(chuí)直安(ān)定面来阻止,它(tā)是一(yī)个与机身成直角安装的小型的翼面,能(néng)产生侧向力来纠正飞行器的(de)偏(piān)航和侧滑。
对于(yú)水平飞行,飞行器产生的总升力等于总重力(lì),所以可以写出下式
总升力=总重力
或者L=Wg
作用(yòng)力=反作用(yòng)力
式(shì)中,W为飞行器重(chóng)量(kg);g为重力加速度。
这(zhè)个公(gōng)式在(zài)飞行器下滑(huá)或是(shì)爬(pá)升过程中是不适用的。影响升力(lì)的因(yīn)素是飞行器的尺寸或面积、飞行速度、空气密度(dù)等。
一个水平飞行的飞行(háng)器,升力必须等于重力。如果飞行(háng)器(qì)的重力增加了(le),所需(xū)的升力也必须增(zēng)加,公式(shì)右边(biān)的一个或(huò)多个参数(shù)值就必须增加。
机翼(yì)翼(yì)载(zǎi)
从上面可(kě)以看出,重量与机翼面积之比(翼(yì)载)非常重(chóng)要。翼(yì)载经常写成W/S,单位是(shì)千克/平方(fāng)米。忽略燃(rán)油消耗造成的微小影响,在飞(fēi)行过程中,飞(fēi)行器的重量是一(yī)个常熟(shú)。在给定的配平(píng)状态(迎角)下的(de)速(sù)度完全取决于(yú)翼载。这个关(guān)系可(kě)以通过整理升力公(gōng)式得到。
对于滑翔机和下(xià)滑中(zhōng)的飞机来说,升力和重力并不完全相等,L=Wgcosα,但是在一般的小于10°的俯(fǔ)冲角(jiǎo)或爬(pá)升角情况下(xià),两者相差不多。增加重量要求增加速度,这回耗(hào)费更(gèng)多(duō)的功率来保持飞行(在滑翔机(jī)中需要更强的上升气流保持滑翔飞行)。

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