空中的飞机为什么掉不下来

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人们发现鸟有两种飞行方式：扑翼飞行和滑翔。最早人们注意到的是鸟的扑翼飞行，想象鸟一样靠翅膀上下扑动来飞行，结果失败了。后来人们转向学习鸟的滑翔。对于鸟类的滑翔，很久以来人们一直迷惑不解，外国曾有人认为鸟的肚子里有热气作用，而中国晋朝一个叫葛洪的人在仔细观察老鹰在飞行后，解释说，老鹰伸直两翅，并不扑动，反能盘旋飞行，且越飞越高，是因为上升气流的缘故。基于鸟类滑翔的原理，人们造出了滑翔机和早期的飞机。 现在我们知道飞机能够在高空中飞行不落，是因为受到一个升力作用，而使飞机获得升力的主要部件是机翼。但是飞机是如何得到这一升力的呢？为了解释这个问题，我们先做一个简单的实验： 将一个乒乓球放置于一个倒扣的漏斗内，先用一块纸板托住漏斗口。这时用吸尘器从漏斗窄口向里吹气，并拿走纸板，此时乒乓球却掉不下来。这就是“升力”托住了球体。因为空气流过球与漏斗壁间窄缝时的流速大于流出漏斗口时的流速，所以漏斗宽口处的压力大于漏斗窄口处的压力，它克服了乒乓球的重力，使球支持着不落下去，即流速增加，压强降低，这在物理学上叫做伯努利原理。 飞机获得升力的情况和上面的实验相似，只是这时还要考虑到机翼周围存在着的空气的环流。这种环流在飞机的飞行中迭加到经过机翼的平移气流上。在机翼上部，环流的方向与平移气流的方向相同，迭加结果使空气流的速度增加；在机翼下部，环流的方向与平移气流的方向相反，因而空气流速度减少。可以看出机翼上方的气流速度大于下方的，上面的流线较密，下面的流线较疏。根据伯努利原理，机翼上方的压强减少，下方的压强增大，形成了一个向上稍微偏后的总压力 q。把 q分为水平与竖直方向上的两个分力 f及 f，其中 f就是飞机机翼受到的向上升力，它使飞机上升或保持飞机悬浮在空中；f分力是阻止飞机前进的正面阻力。 对上述现象也可以用牛顿定律作一个定性的解释。气流对机翼有向上的升力，那么机翼对气流就有向下的反作用力，这样一来就使气流向下偏斜。当气流经过机翼时，在竖直方向上的动量分量就有一个改变量，由于机翼对气流有向下的作用力，因而机翼也得到一个向上的升力。这和前面所说的结果一致。 所以飞机机翼受到的总压力 q的大小和气流的速度有关。气流速度越大，Q也就越大。另外，Q还与机翼的形状和迎面气流冲向翼面的仰角 a有关。 飞机在飞行时，受到升力 f、重力 p、推进器的前进力 f1和阻力 f的作用。要使飞机能正常飞机，应保证升力足够大、阻力最小。经过长期的实践与观察，人们发现把机翼前缘做成圆形而后部做成尖锐形状，并且使机翼上部稍微凸起，便可以使飞机少受旋涡的影响，即受到的阻力较小。因此人们逐步改善机翼的形状，采用流线形机翼。 实践证明，在其他条件相同时，飞行的速度越快，机翼产生的升力也越大；机翼截面积越大，升力越大。对于低速飞行的运输机，就要有较大的机翼，以获得足够大的升力。对高速飞行的飞机，机翼太长使产生的阻力增大，此时应采用小机翼。所以针对不同飞行速度的要求，要采用不同的机翼及不同的截面形状。 不论哪一种截面形状的机翼，在一定范围内增大仰角 a，都可以提高升力。飞机起飞的速度越小，为了增大升力，就要抬起机头，靠增大机翼的仰角来增加升力。但仰角增大时，阻力也会增大，同时在机翼上面所形成的涡流区会越来越大，这时机翼受到的升力也会减小。所以在一般飞行中，机翼的仰角是有一定范围的，如果超出了这个范围，不但不能增加升力，反而会引起失速现象，会使飞机掉下来。 一般飞机必须同空气有相对运动，机翼才可以产生升力。但另有一种飞机，它具有停在空中不动的本事。这就是直升机。直升机在军事和民用中都发挥着重大作用，它可以用于在交通不便地区运送物资、抢救伤病员、摄影，还可用于测绘地表、护林防火等。 直升机机翼和空气没有相对运动，升力应该不存在，为什么它能在空中突然停住不动而又不掉下来呢？ 原来直升机的升力是由在它头顶上旋转的机翼所产生的。当直升机在空中的时候，它的旋翼仍然在不停地转动，产生一个同直升机重力大小相等方向相反的升力。因此，直升机就能不前进也不后退、不升高也不降低，稳稳地停在空中执行任务。