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航(háng)空知识手册(cè)之(zhī)十(shí):伯努利定律和翼(yì)型

 

伯努利定律

当空气遇上(shàng)任(rèn)何物体,比如说机翼,空气会产生偏(piān)转,一些空气从机翼上(shàng)表面通(tōng)过,一些空气从机翼(yì)下表(biǎo)面通过。在这个流动过程(chéng)中(zhōng)会产生(shēng)复杂的(de)速度和压力的变化。要产生升力,上下表面的平均圧(yā)力必须(xū)有(yǒu)差异才行。

伯(bó)努利的理论将流动(dòng)的速度和流动中任意一(yī)点的压力联系起(qǐ)来。这个理论是运动和能量定律的一个特殊顶用。对于管道类和轮船(chuán)周围的(de)流动(dòng)来说,它(tā)是一个最基础的理论,对于空气动(dòng)力学和飞行来说也是(shì)一样。

想象(xiàng)一个平滑流动或流线型流动里面的空(kōng)气微(wēi)团,如果各个方向(xiàng)对它施加的压力都是相等的话,那么(me)它就处于(yú)平衡状态。如果有任(rèn)何不同的压力,这(zhè)个微团的平衡(héng)就会被打破,根据牛顿第二运动定(dìng)律,微团要么加速要么减速。如(rú)果后部(bù)的压力大于前(qián)部的压力,速度会增加(jiā);反之,如果后面的压力小于前面的压(yā)力,速度则减小。因此(cǐ),当微团接(jiē)近一个低压区时会(huì)加速,接近高气压时会(huì)减(jiǎn)速。我们可以用另一(yī)种方法描述这件事情(qíng),即(jí)如果(guǒ)流体速度降低,其压力必然升高。微团并不(bú)是(shì)孤立的,而是某个(gè)流动中的一部(bù)分,这个规律适用于(yú)每个微(wēi)团的。因此,流动在接近低压(yā)或高压(yā)区时(shí)会分别加速或减速。这个原理(lǐ)的简单的数学表达(dá)就是伯努利定(dìng)理,以下式表示,其中,ρ表示压力。

空气(qì)密度是(shì)常熟(密度(dù)不会(huì)改(gǎi)变),压力和速度因此就成了变量,如果一个增加(jiā),则另一个就(jiù)见啥。这个原理的著名的应用就是(shì)文氏(shì)管,它通常用在航空(kōng)领域来测量控诉,在日常生活中用(yòng)于通过龙(lóng)水龙头或橡胶软管二产(chǎn)生告诉水流。

通过一个收缩管道的流体,内部(bù)空间(jiān)全部被(bèi)充满。在每个(gè)单位时间内,流进一定质量的流体(tǐ),出口就流出同样质量的(de)流体。在管(guǎn)道的(de)收缩区,由(yóu)于横截面较小,通过它(tā)的流体的(de)速度(dù)必然(rán)增加,这样才能保(bǎo)证在(zài)相同的时(shí)间内流出相同质量的流体(tǐ)。根据伯(bó)努(nǔ)利定理,这个速度的增加必然造成收缩区压力的降低。途中耳朵(duǒ)空气在收(shōu)缩区域内变得长而窄,在达(dá)到管道(dào)的宽阔(kuò)处后又变回其原来的形状,这样(yàng)就形(xíng)成流线。

经过任(rèn)何物体的流动,只要是流线(xiàn)型的流(liú)动(dòng),就(jiù)会产生相似(sì)的流动变(biàn)形,同时伴随着速度(dù)和压力的变化。这根流过机翼的流动(dòng)十分相(xiàng)似。

翼型(xíng)和机翼升(shēng)力系(xì)数

机翼(yì)的(de)效率受翼型(xíng)的影(yǐng)响极(jí)大(dà),在一定程度上是受翼型弯度和厚度的影响。

飞行器的机(jī)身和其他相似外形的部件也能产生一些(xiē)微小的升力,大小取决于(yú)他们的外形和迎角。对于航天飞行的载人(rén)飞行器(qì),专门(mén)设计了(le)一个没有机翼的“升力(lì)体”,但对于通(tōng)常的飞行器来说,机体对升力(lì)的贡献几乎是乐意忽(hū)略的。然而,机身确实会产生一些与升力可比较的力,它影(yǐng)响着飞行器的稳定性,而且(qiě)其总(zǒng)是与使飞行(háng)器处于给(gěi)定(dìng)迎角下的安(ān)定面的配平作用力相反。相似的横侧向不(bú)稳定打扰由垂直安定(dìng)面(miàn)来阻止,它是一个(gè)与机身成直(zhí)角安装的(de)小(xiǎo)型的翼面,能(néng)产生侧向力来纠(jiū)正飞行器的(de)偏航和侧(cè)滑。

对(duì)于水平飞行,飞行器产生的总升力等(děng)于总重力,所以可以写出下式

总升力(lì)=总(zǒng)重力

或者LWg

作(zuò)用(yòng)力=反作用(yòng)力

式中,W为飞行器重量(kg);g为重(chóng)力加速度。

这个公(gōng)式在飞行器下滑或是爬升过(guò)程中是(shì)不适用的。影响升力(lì)的因(yīn)素(sù)是飞行器的尺寸或面积(jī)、飞行速度、空气密度等。

一个水平飞行的飞行器,升(shēng)力必须等于重力。如果飞行(háng)器的重(chóng)力增加了(le),所需的升力也必(bì)须增加,公(gōng)式右边(biān)的一(yī)个或多个(gè)参数值就必须增加。

机(jī)翼翼载

从上面可以看出,重量与机翼面积之比(翼载)非常重要。翼(yì)载经常写成W/S,单位是千(qiān)克/平方米。忽略(luè)燃油消耗造(zào)成的微小影响(xiǎng),在(zài)飞行(háng)过程中,飞行器的重量(liàng)是一(yī)个常熟。在给定的(de)配平状(zhuàng)态(tài)(迎角)下的速度(dù)完全取决于翼载。这个关系可以(yǐ)通过(guò)整理升力(lì)公式得到。

对(duì)于滑(huá)翔机和下(xià)滑中(zhōng)的飞机来说(shuō),升力和重力并不完全相等,L=Wgcosα,但是(shì)在(zài)一般的(de)小(xiǎo)于(yú)10°的俯冲角或爬(pá)升(shēng)角(jiǎo)情况下,两(liǎng)者相差不多。增加重量要求增(zēng)加速(sù)度,这回耗费更多的功率来(lái)保持飞行(在(zài)滑翔机(jī)中需要更(gèng)强(qiáng)的上升气(qì)流保(bǎo)持滑翔飞行)。

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