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飛行中自然定律和力對飛機性能特性的影響
來源:互聯網  編輯:民航網CAAC.com.cn  日期:2014-05-31

  在17世紀,哲學家和數學家 牛頓提出了三個基本的運動定律。他在這樣做的時候腦子里確定無疑的沒有飛機這個概念,但是幾乎所有已知的運動都可以回到這三個定律。這些定律以牛頓的名字命名如下:

  牛頓第一定律:一個靜止的物體有維持其靜止狀態的特性,運動中的物體有維持其原有速度和方向的特性。簡而言之,本質上,一個物體一直保持其運動狀態知道有外界力量改變他。停機坪上的靜止飛機會一直保持靜止除非施加一個足夠強的克服其慣性的力。然而,一旦其開始運動,他的慣性會讓他保持運動,克服施加于飛機上的各種其他力量。這些力量或推動其運動,或減慢其速度,或改變他的方向。

  牛頓第二定律:當一個物體收到一個恒定力的作用時,其加速度和物體的質量成反比,和物體的所施加的力成正比。這里所涉及的就是克服牛頓第一定律的慣性的因素。其包含方向和速度的改變,有兩層含義:從靜止到運動(正加速度)和從運動到停止(負加速度或者減速)。

  牛頓第三定律:無論何時一個物體對另一個物體施加力量,那么另一個物體也對這個物體施加力量,這個力的大小是相等的,而方向是相反的。開火時槍的反作用力是牛頓第三定律的形象化例子。游泳冠軍在折回時對游泳池壁施加反作用力,或者嬰兒學步-都會失敗,但是現象都表現了這個定律。飛機上,螺旋槳轉動向后推動空氣,所以,空氣向相反的方向推螺旋槳-飛機前進。在噴氣式飛機上,引擎向后推動熱空氣氣流,作用于引擎的反向等大小的作用力推動引擎,使得飛機前進。所有交通工具的運動都形象的演示了牛頓第三運動定律。

  馬格努斯效應

  通過觀察氣流中旋轉的圓柱可以很好的解釋升力的原因。靠近圓柱的局部速率由氣流速度和圓柱的旋轉速率共同決定,距離圓柱越遠其速率越低。對于圓柱,頂部表面的旋轉方向和氣流方向一致,頂部的局部速率高,底部的速率低。

  如圖2-2所示,在A點,氣流線在分支點分開,這里有個停滯點;一些空氣向上,一些空氣向下。另一個停滯點在B點,兩個氣流匯合,局部速度相同。現在圓柱面前部有了升流,后面有降流。表面局部速度的差別說明壓力的不同,頂部壓力比底部低。低壓區產生向上的力稱為“馬格努斯效應”。這種機械降低的循環演示了旋轉和升力之間的關系。

  正迎角的機翼產生的氣流使得機翼尾部的停滯點稱為尾部邊緣的尾巴,而前面的停滯點前導機翼邊緣的下方。

  壓力的伯努利原理

  牛頓發表其定律的半個世紀之后,一個瑞士數學家伯努利先生解釋了運動流體(液體或者氣體)的壓力是如何隨其運動速度而變化的。特別的,他說道運動或者流動的速度增加會導致流體壓力的降低。這就是空氣通過飛機機翼上曲面所發生的。

  可以使用普通管子里的水流來作個模擬。在恒定直徑的管子中流動的水對管壁施加一致的壓力;但是如果管子的一段直徑增加或者降低,在那點水的壓力是肯定要變化的。假設管子收縮,那么就會壓縮這個區域里的水流。假設在一樣的時間流過收縮部分管子的水量和管子收縮前是一樣的,那么這個點的水流速度必定增加。

  因此,如果管子的一部分收縮,它不僅增加流速,還降低了所在點的壓力。流線型的固體(機翼)在管子中同一點也會得到類似的結果。這個一樣的原理是空速測試和機翼產生升力能力分析的基礎。

  伯努利定理的實踐應用是文氏管。文氏管的入口比喉部直徑大,出口部分的直徑也和入口一樣大。在喉部,氣流速度增加,壓力降低;在出口處氣流速度降低,壓力增加。


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