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航空知识手册(cè)之十:伯努利定律和(hé)翼(yì)型

 

伯努利定律(lǜ)

当空气遇(yù)上(shàng)任何物体,比如说机翼,空气(qì)会(huì)产生偏(piān)转,一些空气从机(jī)翼上表面通(tōng)过,一(yī)些空(kōng)气从机翼(yì)下表面(miàn)通过(guò)。在这个流(liú)动过程中会产生复杂的速度和压力的变化。要(yào)产生升力,上下表面的(de)平均圧力必须有差异才行。

伯(bó)努利的理(lǐ)论(lùn)将(jiāng)流动的速度和流动中任意一(yī)点的(de)压力联系起来。这个理(lǐ)论是(shì)运动和(hé)能量定(dìng)律(lǜ)的一个特殊顶用(yòng)。对于管道类和(hé)轮(lún)船周围的流动来说,它是一个最基础的理论,对于空(kōng)气动力(lì)学(xué)和(hé)飞行来说也是一样。

想象一个平(píng)滑流动或流线型流动里(lǐ)面的(de)空气微团,如(rú)果(guǒ)各个方向对它施加的压力都是相等的话,那么它就处于平衡状态。如(rú)果有任何不同(tóng)的压力,这个微团(tuán)的平衡(héng)就(jiù)会被打破,根据牛顿(dùn)第二运动定律,微团要么加速(sù)要么(me)减(jiǎn)速。如果(guǒ)后部的压力大于前(qián)部的压力(lì),速度会增加;反之(zhī),如果后面的压力小于前面的压力,速度则减小。因(yīn)此(cǐ),当微(wēi)团接近一(yī)个低压(yā)区时会加速,接近高气(qì)压时会减(jiǎn)速。我们可以用另(lìng)一种方法描述这件事情,即如果流体(tǐ)速度降低,其压(yā)力必(bì)然升高。微(wēi)团并(bìng)不是孤(gū)立的,而是某个流动中的一部分,这(zhè)个规律适(shì)用于每个(gè)微团的。因此,流动在(zài)接近低压或高(gāo)压区(qū)时(shí)会分别加速或减速。这个(gè)原理的简单(dān)的数学(xué)表(biǎo)达(dá)就是伯努(nǔ)利定理,以下式表示(shì),其(qí)中,ρ表示压力。

空气密度(dù)是常(cháng)熟(密度不(bú)会改变),压力和速度因此就(jiù)成了变量(liàng),如果一(yī)个增加,则另一个就见啥(shá)。这个(gè)原理的著名(míng)的应用就是文(wén)氏管,它通常用在航空领域来(lái)测量控诉,在日常(cháng)生(shēng)活(huó)中用于通过龙水(shuǐ)龙头或(huò)橡胶软(ruǎn)管二产生(shēng)告诉水流。

通过(guò)一个收缩管(guǎn)道的流体,内部(bù)空间全部被(bèi)充满。在(zài)每个单位时间内,流进一定质量(liàng)的流体,出口(kǒu)就流出同样质(zhì)量的流体。在管道的(de)收缩区,由于横(héng)截面较小(xiǎo),通过(guò)它的流体的速度必然增加,这样(yàng)才能(néng)保证在相同的时间(jiān)内流出相同质量的流体。根据(jù)伯努利定理,这个速度的增加必然造成收缩区(qū)压力的降(jiàng)低(dī)。途中耳朵(duǒ)空气在收缩(suō)区域内变得长而窄,在达到管道的宽阔处后又(yòu)变回其原来的形状,这(zhè)样就形成流(liú)线(xiàn)。

经过(guò)任何物体的流动,只要是流线型的(de)流动,就会产生相似的流(liú)动变(biàn)形,同时伴(bàn)随着速度和压(yā)力的变化。这(zhè)根流过(guò)机翼的流动十分相似(sì)。

翼(yì)型和机(jī)翼升力系数

机翼的效率受翼(yì)型的影(yǐng)响极大,在一(yī)定(dìng)程(chéng)度上是受翼型(xíng)弯度和厚度的(de)影响。

飞行器的机身和其他相似外形的部件也能产生一(yī)些微小的升力,大小(xiǎo)取决(jué)于(yú)他们的外形和迎(yíng)角。对于航天(tiān)飞行的载人飞行器,专门设计了一个没有机(jī)翼的“升(shēng)力体”,但对(duì)于通(tōng)常的(de)飞(fēi)行器来说,机体对升力的贡献几乎是乐意(yì)忽略的。然(rán)而,机身(shēn)确实会产生一些与升力可(kě)比较的力,它影响着飞行器(qì)的(de)稳定性,而(ér)且其总是与使(shǐ)飞(fēi)行(háng)器处于给定迎角下的安(ān)定面的配平作(zuò)用力相反(fǎn)。相(xiàng)似的横侧向不稳定(dìng)打扰由垂直安定面来(lái)阻止,它是一个与机身成(chéng)直角安装的小型(xíng)的翼面,能产生侧向力来纠正飞行器的偏航和侧滑。

对于水(shuǐ)平飞行,飞行器产生的(de)总升力等于总重力,所以可(kě)以写(xiě)出下式

总(zǒng)升力=总重(chóng)力

或者LWg

作用(yòng)力=反作用力

式中,W为飞行器重量(liàng)(kg);g为(wéi)重力加(jiā)速(sù)度(dù)。

这个公式在(zài)飞行器下(xià)滑或是爬升过程中是不(bú)适用(yòng)的。影响(xiǎng)升力(lì)的因素(sù)是飞行(háng)器的尺寸或面积、飞行速度、空(kōng)气密度等。

一个水(shuǐ)平飞行的飞行器,升力必须等于(yú)重(chóng)力(lì)。如(rú)果飞行器的重力增加了,所需的升力(lì)也必须增(zēng)加,公式右边的一(yī)个(gè)或多个参数(shù)值(zhí)就必须(xū)增(zēng)加。

机翼翼载

从上面可以看(kàn)出,重量与机翼面积之比(翼载(zǎi))非常重要。翼载经(jīng)常写成W/S,单位是千克/平方(fāng)米。忽略燃油消(xiāo)耗造成的微小(xiǎo)影响,在飞行(háng)过(guò)程中(zhōng),飞行器的重量是一(yī)个常熟。在给定(dìng)的配平状态(tài)(迎角)下的(de)速(sù)度(dù)完全取决于翼载。这(zhè)个关(guān)系可以(yǐ)通过整理升力(lì)公式(shì)得到(dào)。

对于滑翔机和下滑中(zhōng)的飞机(jī)来说(shuō),升力和(hé)重力并(bìng)不完全相等,L=Wgcosα,但是(shì)在(zài)一般的小(xiǎo)于10°的(de)俯冲角或爬升角情况(kuàng)下,两者(zhě)相差不多。增(zēng)加重量要求增加速度,这回耗费更多的(de)功率来保持飞行(在(zài)滑(huá)翔(xiáng)机中需要(yào)更强的上升(shēng)气流保持滑翔飞行)。

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