伯(bó)努利定律
当(dāng)空气遇上任何物体,比(bǐ)如说机(jī)翼(yì),空气会产生偏转(zhuǎn),一些空(kōng)气从机翼(yì)上(shàng)表(biǎo)面(miàn)通过,一些(xiē)空气(qì)从机翼下表面通过。在这个流动过程中会产生复杂(zá)的(de)速度和压力的变化。要(yào)产生升力(lì),上下(xià)表面的平均圧力必须(xū)有差(chà)异才行。
伯努(nǔ)利(lì)的理论将流动(dòng)的速度和流(liú)动中任意一点的压(yā)力联(lián)系起来。这(zhè)个理论是运动和(hé)能量定律的一个(gè)特殊顶用。对(duì)于管道类和轮船周围的流动来说,它是一个最基础的(de)理论,对于空气动力(lì)学和飞行来说也(yě)是(shì)一样。
想象一个平(píng)滑流动或流线型(xíng)流动里面的空气微团,如果各(gè)个方向对它施(shī)加的压力(lì)都是(shì)相等的话,那么它就处于平(píng)衡状态(tài)。如果有(yǒu)任何不同的压力,这个微团的(de)平衡就会被打破,根据牛顿第二运动(dòng)定律,微团(tuán)要么加速要么(me)减速。如(rú)果后部的(de)压力大于前部的压力,速度(dù)会(huì)增加;反之,如果(guǒ)后面的压(yā)力小(xiǎo)于前面的压力,速度(dù)则减(jiǎn)小。因此,当微团接近一(yī)个(gè)低压区(qū)时会加(jiā)速,接近高气压时会(huì)减(jiǎn)速。我们(men)可以用另一种(zhǒng)方法描述这(zhè)件事情(qíng),即如果流体速(sù)度(dù)降低(dī),其压力必然升(shēng)高。微团并不是孤立的(de),而是某个流动中的一部分,这个规律适用(yòng)于每个微团的。因此,流动在接(jiē)近低压或高压区时(shí)会(huì)分别加速或减速。这个原(yuán)理的(de)简单的数学表(biǎo)达就是伯努(nǔ)利定理,以(yǐ)下式表示(shì),其中,ρ表示压力。
空气密度是常熟(密度不会改变),压力和速度(dù)因此就成了变量,如果一(yī)个增加,则另一个就见啥(shá)。这(zhè)个原理(lǐ)的著(zhe)名的(de)应用就是文氏管,它通常用在航空领域来(lái)测量控(kòng)诉,在日常生活中用于(yú)通过(guò)龙水龙头或橡胶软管二产生告诉水(shuǐ)流。
通过一个收缩管道的流(liú)体(tǐ),内部空间全部被充满。在每(měi)个单位时间内,流进一定质量的流体,出口就流出同(tóng)样质量的流体。在管道的收缩(suō)区(qū),由于(yú)横截面较小,通过它的流体的(de)速(sù)度(dù)必然增加(jiā),这样(yàng)才能保证在相(xiàng)同的时间内流出相同(tóng)质量的流体。根据伯努利定(dìng)理,这个速(sù)度的增加(jiā)必然造成收缩(suō)区压力的(de)降低。途中耳(ěr)朵空(kōng)气在收缩区域内变得长而窄,在达到管道(dào)的宽阔处后又(yòu)变回(huí)其原来的形状,这(zhè)样就形成流线。
经(jīng)过(guò)任何物体的流动,只要(yào)是流线型的流动,就会产生相(xiàng)似的(de)流动变形,同时(shí)伴随着速度和压力的变化。这根流过机翼的流动十分(fèn)相似。
翼型和机翼升力系数(shù)
机翼的效率(lǜ)受翼型的影响极大,在一定(dìng)程度上是受翼型弯度和厚度的影响。
飞行器的机身和其他相似外形(xíng)的部件也能产生一些微(wēi)小的升力,大(dà)小取决于他们的外形和迎角。对(duì)于航天飞(fēi)行(háng)的(de)载人飞(fēi)行器(qì),专门设计了(le)一个没(méi)有机翼(yì)的“升力(lì)体(tǐ)”,但对于通(tōng)常的飞行器(qì)来说(shuō),机体对升力(lì)的贡(gòng)献几乎是乐意忽略的。然而,机身确实会(huì)产生一些与升(shēng)力(lì)可比较的力,它影响着(zhe)飞行器的稳(wěn)定性(xìng),而且其总(zǒng)是与(yǔ)使(shǐ)飞行器处于给定迎角下的安定面的配平作用力相(xiàng)反。相似的横侧向(xiàng)不(bú)稳定打扰由垂直(zhí)安定面来阻止(zhǐ),它(tā)是一个与机身成直角(jiǎo)安装(zhuāng)的小型的翼面,能产生侧向(xiàng)力(lì)来纠正飞行器的偏(piān)航和(hé)侧滑。
对于水平飞行(háng),飞(fēi)行器产生的总升(shēng)力等于总重力(lì),所以可(kě)以写出下式
总升力=总重力
或(huò)者L=Wg
作用力=反作用力(lì)
式中,W为飞行器重量(kg);g为重力加速(sù)度。
这个公式在飞(fēi)行(háng)器下(xià)滑或是(shì)爬升过程(chéng)中(zhōng)是不适(shì)用(yòng)的。影响升力的因(yīn)素(sù)是(shì)飞行(háng)器的尺寸或面积(jī)、飞行(háng)速度、空气密度等。
一个水平飞行(háng)的(de)飞行器,升力必须等于重力。如果飞行器(qì)的重力增加了,所需的升力也必须增加,公式右边(biān)的一(yī)个(gè)或多个参数(shù)值就必须增加。
机翼翼载
从上面可以看出(chū),重量与机翼面积之比(翼载)非常重要。翼载经常写成W/S,单位是千克(kè)/平方米。忽略燃油消(xiāo)耗造成(chéng)的微小影(yǐng)响,在飞行过程中,飞行器的重量是一个常熟。在给(gěi)定的配平状(zhuàng)态(迎角)下的速度完全取(qǔ)决于翼载。这个关系可以通过整理升(shēng)力(lì)公(gōng)式得到。
对于滑翔机和下滑中的飞机来说(shuō),升力和重(chóng)力并不完全相等,L=Wgcosα,但是(shì)在一般(bān)的小于10°的俯(fǔ)冲(chōng)角或爬升角情况下,两者相差不(bú)多。增加重量要求增加速度,这回耗费(fèi)更多的(de)功(gōng)率(lǜ)来(lái)保(bǎo)持飞行(在滑翔机中需要更强(qiáng)的上(shàng)升气流保持(chí)滑翔(xiáng)飞行)。

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