SJTU 如何飛得更遠、飛得更高 簡單探討影響飛機飛行的力學因素 易宇馳 生物醫學工程學院 5110829039 2012/6/26 由於之前一個學期本人刚剛選修過航模技術與實踐這一門課，製作航模時學 到了一些影響飛行的因素，藉此機會可以將一些學到的理論知識展示出來，科普 一下。本文即簡單的探討一下影響航模飛機飛行的幾個力學因素
SJTU 如何飛得更遠、飛得更高 簡單探討影響飛機飛行的力學因素 易宇馳 生物醫學工程學院 5110829039 2012/6/26 由於之前一個學期本人剛剛選修過航模技術與實踐這一門課，製作航模時學 到了一些影響飛行的因素，藉此機會可以將一些學到的理論知識展示出來，科普 一下。本文即簡單的探討一下影響航模飛機飛行的幾個力學因素
如何飛得更遠、飛得更高 簡單探討影響飛機飛行的力學因素 每個人都有萝想，想飛的更高，飛得更遠。如果飛行器有意識的話，那當然 也希望如此了。那麼究竞如何才能飛得更高、飛得更遠呢？ 飛機的飛行是當然離不開力的影響了。飛機之所以能夠起飛、降落、加速、 减速都和力有著密不可分的關係。飛機大致受四種類型的力：重力、牽引力、升 力、阻力。（大致的受力如下圖所示） 机身 立尾 a 机翼 平尾 飛機飛行就是四種力交互作用的結果。飛機飛是靠引擎的推力產生速度，速 度透過機翼的形狀變化產生升力，推力大於阻力、升力大於重力，飛機就能起飛 爬升了。這四個力就好比四雙手在對飛機進行形影不離的掌控。下面就從這四個 力的角度來分析一下影響飛行的因素。 一、 重力（質量） 重力（質量）對航模飛行的影響是顯而易見。 如果飛機質量過大，飛機的慣性就很大。飛機起落以及轉向什麼的就愈發困 難，需要消耗更多的能量。就像有的小個子可以調戲大力士而又能及時逃脫。 又由於其重力很大，要提供等大的升力平衡其重力，以維持其飛行的勻速直線状 態，因而所需要的的升力也就越大。通過一系列的因果關係，最終會導致質量越 大的飛機其耗能也就越高。很顯然，似乎現在只要是交通工具，那麼就是自重大 的能耗高。因而設計師們在設計飛行器的時候都會很自然的去降低飛機的自重。 二、牵引力 牵引力也很好理解，飛機起飛需要升力將飛機拉離地面，飛行期間需要升力 去平衡重力以保證飛機不至於從天空中墜落，從後面一節介紹升力因素的時候， 會知道飛機一定的速度是一定的升力產生的必要條件，牵引力越大其飛行速度就 會越大，獲取的升力也就越大。所以一般大載荷的飛機都装有多個大推力的發動 易宇馳生物醫學工程學院51108290392012/6/26 第1頁共5頁
如何飛得更遠、飛得更高 簡單探討影響飛機飛行的力學因素 易宇馳 生物醫學工程學院 5110829039 2012/6/26 第 1頁 共 5 頁 每個人都有夢想，想飛的更高，飛得更遠。如果飛行器有意識的話，那當然 也希望如此了。那麼究竟如何才能飛得更高、飛得更遠呢？ 飛機的飛行是當然離不開力的影響了。飛機之所以能夠起飛、降落、加速、 減速都和力有著密不可分的關係。飛機大致受四種類型的力：重力、牽引力、升 力、阻力。（大致的受力如下圖所示） 飛機飛行就是四種力交互作用的結果。飛機飛是靠引擎的推力產生速度，速 度透過機翼的形狀變化產生升力，推力大於阻力、升力大於重力，飛機就能起飛 爬升了。這四個力就好比四雙手在對飛機進行形影不離的掌控。下面就從這四個 力的角度來分析一下影響飛行的因素。 一、 重力（質量） 重力（質量）對航模飛行的影響是顯而易見。 如果飛機質量過大，飛機的慣性就很大。飛機起落以及轉向什麼的就愈發困 難，需要消耗更多的能量。就像有的小個子可以調戲 大力士而又能及時逃脫。 又由於其重力很大，要提供等大的升力平衡其重力，以維持其飛行的勻速直線狀 態，因而所需要的的升力也就越大。通過一系列的因果關係，最終會導致質量越 大的飛機其耗能也就越高。很顯然，似乎現在只要是交通工具，那麼就是自重大 的能耗高。因而設計師們在設計飛行器的時候都會很自然的去降低飛機的自重。 二、 牽引力 牽引力也很好理解，飛機起飛需要升力將飛機拉離地面，飛行期間需要升力 去平衡重力以保證飛機不至於從天空中墜落，從後面一節介紹升力因素的時候， 會知道飛機一定的速度是一定的升力產生的必要條件，牽引力越大其飛行速度就 會越大，獲取的升力也就越大。所以一般大載荷的飛機都裝有多個大推力的發動
如何飛得更遠、飛得更高 簡單探討影響飛機飛行的力學因素 機。就好比乾重活的人力氣大。 三、升力 空氣屬於流體，由Bernoulli方程（如下圖所示）可以知道，在流速大的地方 壓強小，流速小的地方壓強大。歷史上一次重大的海難的釀成就是由於這一個方 程所闡釋的原理。 1 u2+pgh+p=constant P V2 V1 P1>P2,V2>V1 1912年，“奥林匹克”號遠洋輪在大海上航行，在距離她100米處，有一艘 鐵甲巡洋艦“豪克”號正在向前疾駛，兩艘船彼此靠得較攏，平行著駛向前方。 忽然，正在疾駛中的“豪克”號好像被大船吸引似地，不服從舵手的操縱，一頭 向“奥林匹克”號闖去。最後，“豪克”號的船頭撞在“奥林匹克”號的船舷上， 撞出個大洞，釀成一件重大海難事故。” 當兩船並行時，因兩船間水的流速快，壓強低，外舷的水流速慢，壓強高， 左右舷形成壓差，推動船舶互相靠攏。這種現象稱為船吸。 飛機的升力產生原理與之類似。機翼上面流速大，壓強小於下面的壓強，因 而這個壓強差就產生向上的力，這個力就是升力。（如下圖所示） LIFT Pressure exerted by faster-moving air WING AIR Pressure exerted by slower-moving air 因而增加升力的方法就可以選擇加快飛機的速度，還可以選擇增大機翼的表 易宇馳生物醫學工程學院51108290392012/6/26 第2頁共5頁
如何飛得更遠、飛得更高 簡單探討影響飛機飛行的力學因素 易宇馳 生物醫學工程學院 5110829039 2012/6/26 第 2頁 共 5 頁 機。就好比乾重活的人力氣大。 三、 升力 空氣屬於流體，由 Bernoulli 方程（如下圖所示）可以知道，在流速大的地方 壓強小，流速小的地方壓強大。歷史上一次重大的海難的釀成就是由於這一個方 程所闡釋的原理。 1912 年，“奧林匹克”號遠洋輪在大海上航行，在距離她 100 米處，有一艘 鐵甲巡洋艦“豪克”號正在向前疾駛，兩艘船彼此靠得較攏，平行著駛向前方。 忽然，正在疾駛中的“豪克”號好像被大船吸引似地，不服從舵手的操縱，一頭 向“奧林匹克”號闖去。最後，“豪克”號的船頭撞在“奧林匹克”號的船舷上， 撞出個大洞，釀成一件重大海難事故。” 當兩船並行時，因兩船間水的流速快，壓強低，外舷的水流速慢，壓強高， 左右舷形成壓差，推動船舶互相靠攏。這種現象稱為船吸。 飛機的升力產生原理與之類似。機翼上面流速大，壓強小於下面的壓強，因 而這個壓強差就產生向上的力，這個力就是升力。（如下圖所示） 因而增加升力的方法就可以選擇加快飛機的速度，還可以選擇增大機翼的表
如何飛得更遠、飛得更高 簡單探討影響飛機飛行的力學因素 面積，還可以選擇適當的增大迎角（相對氣流方向與翼弦所夾的角度叫迎角）來 迎角 增加升力，還可以改變飛機的翼型使其產生的升力更大。 四、阻力 至於阻力嘛，那就是飛機飛行中的眼中钉，盡量减小他們才能飛得更快。根 據阻力產生的原因可分為四類：摩擦阻力、壓差阻力、誘導阻力、干擾阻力。（對 低速飛機而言的，高速飛機還會產生波阻等。) a)摩擦阻力 空氣是流體，有一定粘性。當你游泳的時候會感到水有時候全方位 粘住了你，讓你動彈緩慢。當空氣流過飛機表面時，由於空氣的粘性， 空氣同飛機表面發生摩擦，這個就是摩擦阻力。其實也可將其等效為一 般的物體間的摩擦力，解決方式也有一定的相似之處。 b)壓差阻力 當你向前走的時候，迎面吹來一股大風，你會感覺到步履維艱，這 就是一種壓差阻力。這種由前後壓力差形成的阻力叫壓差阻力。飛機的 機身、尾翼等部件都會產生壓差阻力。（如下圖） 科研人員發現流線型的壓差阻力是最小的，這就是為什麼現在很多 汽火車、飛機都是呈流線型，就是為了减小壓差阻力。 c 誘導阻力 誘導阻力其實是由於氣流由機翼的下表面高壓區流向機翼上表面低 壓區而形成的。（如下圖） 低壓區 高壓區 易宇馳生物醫學工程學院51108290392012/6/26 第3頁共5頁
如何飛得更遠、飛得更高 簡單探討影響飛機飛行的力學因素 易宇馳 生物醫學工程學院 5110829039 2012/6/26 第 3頁 共 5 頁 面積，還可以選擇適當的增大迎角（相對氣流方向與翼弦所夾的角度叫迎角）來 增加升力，還可以改變飛機的翼型使其產生的升力更大。 四、 阻力 至於阻力嘛，那就是飛機飛行中的眼中釘，盡量減小他們才能飛得更快。根 據阻力產生的原因可分為四類：摩擦阻力、壓差阻力、誘導阻力、干擾阻力。（對 低速飛機而言的，高速飛機還會產生波阻等。） a) 摩擦阻力 空氣是流體，有一定粘性。當你游泳的時候會感到水有時候全方位 粘住了你，讓你動彈緩慢。當空氣流過飛機表面時，由於空氣的粘性， 空氣同飛機表面發生摩擦，這個就是摩擦阻力。其實也可將其等效為一 般的物體間的摩擦力，解決方式也有一定的相似之處。 b) 壓差阻力 當你向前走的時候，迎面吹來一股大風，你會感覺到步履維艱，這 就是一種壓差阻力。這種由前後壓力差形成的阻力叫壓差阻力。飛機的 機身、尾翼等部件都會產生壓差阻力。（如下圖） 科研人員發現流線型的壓差阻力是最小的，這就是為什麼現在很多 汽火車、飛機都是呈流線型，就是為了減小壓差阻力。 c) 誘導阻力 誘導阻力其實是由於氣流由機翼的下表面高壓區流向機翼上表面低 壓區而形成的。（如下圖） 低壓區 高壓區
如何飛得更遠、飛得更高 簡單探討影響飛機飛行的力學因素 常用的解決方法：（下圖，將機翼兩側彎曲减少機翼側面的上下對流） d)干擾阻力 它是飛機各部分之間因氣流相互干擾而產生的一種額外阻力。就好 比110米欄的比赛中，羅伯斯跑到了劉翔這一道，對劉翔的前進產生了 一定的影響。即氣流間相互形成了負面的干擾。 以上就是影響飛機飛行的一些因素，通過對這些因素的一些控制能夠使飛機 飛得更高、飛得更遠。只是一個比較簡單概括的介紹。真正還有許許多多複雜的 因素影響著飛機的飛行。本文僅僅是讓大家對航空知識有一定的了解。 (文中部分定義以及理論性極強的定義等引用自網絡，文中圖片均源自網 絡。) 易宇馳生物醫學工程學院51108290392012/6/26 第4頁共5頁
如何飛得更遠、飛得更高 簡單探討影響飛機飛行的力學因素 易宇馳 生物醫學工程學院 5110829039 2012/6/26 第 4頁 共 5 頁 常用的解決方法：（下圖，將機翼兩側彎曲減少機翼側面的上下對流） d) 干擾阻力 它是飛機各部分之間因氣流相互干擾而產生的一種額外阻力。就好 比 110 米欄的比賽中，羅伯斯跑到了劉翔這一道，對劉翔的前進產生了 一定的影響。即氣流間相互形成了負面的干擾。 以上就是影響飛機飛行的一些因素，通過對這些因素的一些控制能夠使飛機 飛得更高、飛得更遠。只是一個比較簡單概括的介紹。真正還有許許多多複雜的 因素影響著飛機的飛行。本文僅僅是讓大家對航空知識有一定的了解。 （文中部分定義以及理論性極強的定義等引用自網絡，文中圖片均源自網 絡。）