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十博体育网站:【趣味物理】如何让一台风扇科学的起飞?

日期:2022-06-29 01:41:25 来源:十博体育网页版 作者:十博体育在线登录

  随着脑洞的延伸,正常的手工制作已经满足不了这些DIY大佬,牛人们脑洞大开:有纯手工打造2500度真激光剑的;有把牛粪做成餐具还获奖的;而让电风扇开始嚷着要离家出走的,就来自各种牛人

  “风小扇”就是离家出走的其中一员,它表示:螺旋桨在外形上和风扇类似,螺旋桨可以让飞机飞行,那风扇为什么就不能飞上天呢?

  “风小扇”来到航空基地人才市场,想应聘飞机螺旋桨的岗位,但在和面试官的交流中他发现,螺旋桨飞机的起飞原理和自己想的不太一样!

  最初认识到伯努利定理,还是源于它好几次将人类头发卷进风扇的那段经历。后来它才知道,原来风扇在吹风时,由于气流引起压强变化,背后也会产生一定的吸引力。这个原理就是伯努利定理。就像在垂直放置的两张纸中间吹口气,两张纸会贴在一块;地铁驶过车站,站台边上有会明显被吸的力。

  本以为螺旋桨飞机起飞也是靠这个简单的原理。螺旋桨旋转导致飞机上方气流速度大于下方,所以上方气压低,下方气压高,进而产生了升力!

  但后来“风小扇”发现,其实螺旋桨飞机只有一小部分升力来自伯努利原理,让飞机起飞的升力更多来源于机翼!

  牛顿第三定律:两个物体之间的作用力和反作用力,在同一条直线上,大小相等,方向相反。

  机翼就是通过把气体推向下方,从而得到一种向上反推的升力。原理与螺旋桨通过把气流推向后方而产生推力一样。

  相对于发动机带动螺旋桨产生的推力,机翼产生升力的效果更高,就是因为机翼有很大的面积,能够以很低的速度转移大量的空气。而转向产生的升力就传递给了机翼。这也是机翼获得升力的机理。空气之所以会发生转向,关键之处在于机翼的迎角!

  我们截取机翼的剖面图来看,迎角就是机翼和水平气流的夹角,就像我们风扇或螺旋桨单支桨叶的扭角。如果机翼迎角为0,气流穿过机翼后,会又汇集水平气流。所以它必须在一定的迎角内,才能产生上升力。起飞时推力最大,尾翼向下偏转,给一个抬头力矩,迎角比较大,然后襟翼放下,增加升力,起飞爬升后,襟翼渐渐收起,等爬到一定高度后飞机改平,其实此时仍然有一定的迎角,这个是机翼设计时就有一定的迎角,为维持巡航时飞行器的升力!

  前年波音737的事故就是迎角传感器故障,导致飞控认为飞机迎角过大而开始自动调整飞机飞行姿态!然后就反复调整飞机进入俯冲,以增加速度,获得升力,但结果此时飞机并没有迎角偏大,结果飞机在飞行员控制下强行拉起,然后飞控又进入俯冲,最后飞机失去高度坠毁!

  尽管和螺旋桨飞机的升力来源和自己想不一样,“风小扇”还是决定留下来等待螺旋桨“岗位”的面试结果!

  初试结束后,“风小扇”很是好奇!如果机翼才是飞机升力来源的关键,那螺旋桨的工作是什么?它是如何工作的?风扇如果取代螺旋桨安装在飞机上,飞机还能起飞吗?

  螺旋桨是指靠桨叶在空气或水中旋转,将发动机转动功率转化为推进力的装置。一台活塞发动机+螺旋桨=一个完整飞机推进系统。

  螺旋桨分为很多种,应用也十分广泛,如飞机、轮船的螺旋桨等。螺旋桨的拉力随转速和飞行速度的变化。由于发动机输出功率增大,使螺旋桨转速(切向速度)迅速增加到一定值,产生巨大的向后推力,此时空气反作用力就会推动飞起向前滑行。

  为保持螺旋桨桨尖速度低于声速(因为噪声和额外功率损失的原因),根据航天活塞发动机通常设计,螺旋桨转速将达到每分钟2200~2600转。

  就在“风小扇”看完飞机螺旋桨“岗责”的同时,初试结果下来了,很遗憾,“风小扇”没有通过选拔。不过在它的追问下,面试官给出了这样的回答:

  单纯从推力学上来说,风扇是适合的。就像家里风扇推空气一样,螺旋桨也是如此。不信你站在螺旋桨旋转的飞机后面,你也会感到大量的空气被吹向后方。但问题有两点:

  2.风扇扇叶设计主要为了最大限度吸引周围空气,再以最小能量让扇叶高速旋转把空气打出去,制造新的气流。所以风扇会设计成大面积扇叶,数量也基本在3片以上。如果装在飞机上,这种“桨叶”转动会产生很大阻力,白白损耗大量功率。

  看着自己完全不匹配的肢体,“风小扇”以为的飞行梦想就此结束了。可一则培训广告又点燃它的希望。

  上面称只需要拆掉它多余的扇叶,然后改造成适合的直径。或者可以直接舍弃扇叶,替换成螺旋桨桨叶上去,就能成功“入职”。

  徘徊不定的“风小扇”脑海中出现了一个问题:如果风扇上都被替换成螺旋桨的零件,那这还是风扇吗?

  “忒修斯之船”:如果船上的木头被逐渐替换,直到所有的木头都不是原来的木头,那这艘船还是原来的那艘船吗?

  直升机的旋翼和螺旋桨飞机的螺旋桨看上去的确差不多,两者也都是根据旋转产生力的部件。但它们之间还是存在着一些区别:

  典型飞机螺旋桨直径不高于2米,而到固定翼飞机的螺旋桨直径也仅在5米以下。相比下,直升机旋翼绝对可以称作桨叶中的“大长腿”。一般轻型直升机的旋翼就有7.67米,中型的直径在18米左右,而这台米26的旋翼直径直接达到了32米。

  前面提到过,螺旋桨飞机是通过涡桨发动机产生推/拉力,使飞机快速滑行,通过两侧的机翼产生向上的升力。

  而直升机旋翼更像是螺旋桨和机翼的合体。旋翼绕转轴旋转时,每个叶片的工作类似一个机翼,旋翼的截面形状就是一个翼型(机翼截面形状)。叶片上方的空气会加速向下,反作用力则将旋翼向上提升。根据伯努利定理,上表面的空气施加给旋翼的力小于下表面的力,合力必然向上,这就产生了升力。

  比起螺旋桨飞机还得依靠机翼的起飞方式,直升机直接利用旋翼产生升力的方式更适合风扇起飞。

  为此,“风小扇”在弹簧秤上做了一个尝试,当风扇的风朝下吹时,它的重力明显降低了。一个物体质量是不不会变化的,那么减少的重量就是电风扇转动时产生的升力了。

  找到方法的“风小扇”开心坏了,这次它决定找DIY牛人合作,要完全依靠风扇的力量去实现载人飞行的梦想!

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