飞机的发明原理

一,机翼的浮力:
01. 伯努力原理:流体中,流速加快时,压力会减弱,反之,亦然.因此,流体中的物
体会往流速快的地方移动.
02. 机翼切面原理:
A. 图1.中为一典型翼切面.上方距离较
长,下方距离短.空气流线被翼切面分
成两部分,两方气流於翼后方有相同速
率,故通过上侧的空气流速较快,空气
压力较小而形成一向上的升力.(欲观 图1.
察气流通过机翼的情况可於「烟洞」中试验.)
B. 通常气体具有某种程度的黏性,即通过一物体时,会沿著物体表面切向的力量作 用
在物体上,与物体最接近的空气流线速度为零,到后方的空气的速度回到原有的速
度.这之间速度由零到原有速度的气流称边界层流,边界层流在后方与机翼表面分
离,分离的点称分离点,气流在分离点形成扰流(乱流)( ~^^^~~).
C. 与空气接触的方式:
以风筝为例,若版面垂直风向,则风筝只能
一直前进(如图2-1),若与风向成一交角,便
会不断上升.此风向与机翼的交角称为攻角
(图2-2中的α角).图2-2中,A.为向上的力,
B.为前进的推力,C.为和风筝版面平行的摩
擦力(即阻力),A B的合力即为升力 (升力
和阻力为一对互相垂直的风力的分力).
飞机的飞行原理
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在某一特定角度内,攻角越大,升力越大,升
力系数和攻角成线性关系(正比);超过此一特
定角度,升力急遽下降而阻力增加.此一特定
角度随物体形状不同而改变.此关系可由图
3.中窥见,我以不考虑其他变因假设, ______
表面版,______表升力(即A B的合力),______
表两互相垂直的升力分力之一(即A.力,由於 图3.
两分力互相垂直,即可以一三角形的部分
斜边和高表示.),得角度在45度以内攻
角越大,升力越大.而45度角即可视为
此情况的特定角度.但另一方面,飞机的
攻角越大,其分离点也越往前移动,而扰
流的压力相较於平顺气流(层流)的压力
大,故角度大於一定角度时会产生升力急
遽下降,阻力上升的情况.也有一种说法
是因空气和物体表面摩擦会有一阻力称
表面摩擦阻力,扰流时的表面摩擦阻力 图4.(摘自注2)
远比层流时大,故形成上述升力下降阻力上升的状况,此状况称为失速.我想以上机
翼失速原理多少和飞机下降的角度有关吧.图4中Cl 表升力系数,图中随攻角的增
加,升力系数亦随之增加(Cl=aα,a为升力线斜率),直到达到升力系数的最大值,升
力系数下降形成失速.
D. 以上机翼切面原理同时适用於旋翼机(例:直升机)的
旋翼和飞机的机翼上.
图5.→
二,引擎的动力:
01. 航空器分为两种,一种称轻航空器,是利用比空气轻的气体飞行;另一种为重航空器,是
靠速度(也就是相对空速)飞行.
A. 一般如果不考虑其他因素,初速度只会
造成飞行距离增加,不会使停留在空气
中的时间增加.如图6.
B. 像纸飞机有翼,即有浮力,再加上相对
空气的速度(伯努力原理),使得纸飞机
能在空中停留,但相对於升力产生的阻
力使得纸飞机的速度减慢,而终至升力 图6.(模拟单位时间闪光摄影图)
飞机的飞行原理
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不足克服重力而下降,甚至坠落.
C. 因此,莱特兄弟在飞机上装上引擎,提供飞机一个持续的速度以克服阻力,使人类能顺
利完成飞行的梦想.
02. 引擎的原理:
A. 涡轮喷射引擎
图7.(翻绘自「飞机.火箭」第91页 喷射引擎的结构)
涡轮喷射引擎的核心可分为:压缩段,燃烧室,涡轮.压缩段由许多页片所组成可将空气
压缩后送入后方,燃烧室有管子送入燃料与空气混合燃烧,涡轮机同样由许多页片组成.
空气从压缩段吹入,压缩机将气体增温增压,送入后方燃烧室与燃料混合燃烧,高温高压
的气体猛然向后方喷出,而形成一股压力,产生向前的推力.同时高温高压的气体吹向涡
轮机的页片,涡轮机的转动带动前压缩机的转动.
使用喷射引擎的好处是可以达到很快的速度,甚至可以超音速,早期主要用在军用机上.
B. 涡轮风扇引擎
图8.(翻绘自「新知识212飞行世纪」第27页涡轮风扇引擎示意图)
涡轮喷射引擎虽然速度快,但对於低速的民航机,就显得太耗油了.因此有人在涡轮喷射
引擎的前方加上风扇,和涡轮机相连,以涡轮机带动风扇转动.风扇转动的同时,也把大飞机的飞行原理
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量的空气送入后方.这种引擎的动力主要是靠前方扇叶所产生的气流,至於原理,我想应
该是风扇转动大量吸入空气而增加推力,另一方面大量吸入空气也使前方空气阻力减少而
前进.或许有点类似螺旋桨的原理,特殊形状的页面使前方空气速较后方快,以致前方压
力小而前进.这种引擎的好处是较不耗油,但相对的速度较慢,此外它可以在速度较慢的
情况下产生较大的推力.
参●结论:
自古以来,人类便不断的尝试飞上青天,梦想有朝一日能翱翔天际.从早期的飞船和热气
球,到现今的超音速飞机,甚至太空梭,人类飞行已经不再只是梦想,而星际旅游也即将
到来.而正如古代预言家所言,今日的交通可说是「蜻蜓满天飞,乌龟满地爬」,缩短了
地域的距离,达到「天涯若比邻」的境界.然而十五世纪达文西先生一直梦想的个人飞行
器,藉由近代直升机的发明而逐步实现.但是,我们仍无法像小鸟一般*自在的飞翔.
这也正是我和朋友一直想去做的,也许那天,飞行也能成为一种休闲活动.虽然达文西先
生的翅膀没有成功,但他精美的设计稿却触发许多科学家的想像,相信很快的,它将不再
只是梦想,我期待著那天的到来.
说实在的,找这些资料不算困难.但刚开始找到,怎麼看都看不懂,只好请求於人.好不
容易弄懂了,想通了,却发现资料仅限於此,找不到更深入的资料了.毕竟有些观念只有
专业书籍上才找得到.以后,我会往旋翼机方面去努力,希望有一天能实现个人飞行器的
梦想.