為什么小小的螺旋槳就能使飛機飛起來呢?其實對于固定翼飛機來說,真正使飛機飛起來的力并不是直接由螺旋槳提供,一些無動力的滑翔機就是最好的證明。
在日常生活中,我們都有等地鐵的經(jīng)歷,當高速駛來的地鐵從身邊經(jīng)過時,我們總能感受到一股力來將我們推向地鐵,其實這股力和把飛機升到天上的力是一樣的,它們都和伯努利定理有關。伯努利定理表明,在一個流體系統(tǒng)中,氣體或者液體的流速越快,則壓力越小。當?shù)罔F快速從我們面前經(jīng)過時,我們面前的空氣由于地鐵的帶動,其流速要大于我們身后的空氣,由伯努利定理可知,我們身后的空氣壓力會高于身前,因此身后的空氣會產(chǎn)生一個朝向地鐵的推力,所以為了安全起見,我們等地鐵時一定要站在警戒線之外。
伯努利定理由瑞典數(shù)學家丹尼爾·伯努利于1738年提出,伯努利認為不可壓縮的理想流體沿著流管作定常流動時,隨著流體流動速度的增加,其靜壓將逐漸減小動壓逐漸增大,而流體的流動速度減慢時,則靜壓將逐漸增大動壓逐漸減少,在流體流速變化過程中,流體的靜壓和動壓之和保持不變,因此,伯努利定理其實也體現(xiàn)了理想流體定常流動中的能量守恒原理。
對于一個在空中飛行的螺旋槳飛機,其主要受到四個方向的力,既向后的空氣阻力、螺旋槳提供的向前的推力/拉力、以及向下的重力和飛機自身產(chǎn)生的向上的升力,我們知道飛機之所以可以飛在天上,就是因為其自身產(chǎn)生的升力抵消了重力 ,那么飛機的升力是如何產(chǎn)生的呢?
由伯努利定理可知,在流體系統(tǒng)中流體的流速越快則壓力越小,而飛機正是利用了這個原理來為飛行提供升力。我們沿垂直方向?qū)w機機翼剖開會看到下圖所示的截面圖。
如圖所示,當前方的空氣吹過機翼表面時被切割成上下兩部分,雖然空氣都是從機翼的前端流向后端,但是由于機翼上表面是弧形結(jié)構(gòu),這就造成空氣從上表面流過時走過的實際路程要長一些,由此可知機翼上表面的空氣流速要大于下表面,由伯努利定理可知,機翼上表面由于空氣流速快會形成低壓區(qū),從而使機翼上下面受到的空氣壓力不同,而飛機機翼的升力正是來自于這種壓力差。
知道了飛機升力的來源,再簡單介紹下飛機螺旋槳拉力的來源,當飛機啟動后,飛機前部的拉力式螺旋槳快速旋轉(zhuǎn),從而使飛機產(chǎn)生向前的力,值得注意的是這個力的產(chǎn)生原因也和伯努利定理有關,如果你仔細觀察會發(fā)現(xiàn),飛機的螺旋槳截面圖和飛機機翼是非常相似的,旋轉(zhuǎn)的螺旋槳其實就相當于在空氣中快速飛行的機翼,因此螺旋槳產(chǎn)生的拉力也是來自于槳葉表面的壓力差;
但是對于可變距螺旋槳來說,螺旋槳旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生的力一方面來自于伯努利定理造成的氣壓差,另一方面則來自于螺旋槳葉片產(chǎn)生扭角后具有了向后“推”空氣的分量,根據(jù)力的相互作用原理,螺旋槳葉片也會受到向前的力,因此可變距螺旋槳產(chǎn)生的拉力來自于“壓力差”和“空氣反作用力”兩個方面。
當飛機螺旋槳啟動后,由螺旋槳產(chǎn)生的拉力使飛機快速的向前滑行,同理,飛機的機翼也在空氣中快速的前進,由于機翼上表面的弧形結(jié)構(gòu),造成機翼上表面受到的氣壓小于下表面,從而使飛機獲得升力。隨著飛機滑行的速度越來越快,機翼上下表面的氣壓差也會越來越大,當這種壓力差大于飛機自身的重力時,飛機就會飛起。
因此螺旋槳雖然不直接通過飛機的升力,但是其通過拉動飛機快速前進,使機翼在空氣中快速滑行,從而在飛機機翼表面產(chǎn)生氣壓差,進而產(chǎn)生升力。同樣,對于飛機后面有噴氣口的現(xiàn)代噴氣式飛機來說,這種“噴氣口”所起到的作用和“推力式螺旋槳”相同,都是對飛機產(chǎn)生向前的推力,但是飛機飛起來的升力還是主要作用在飛機的機翼上。當然,僅通過螺旋槳也是可以使飛機起飛的,比如我們常見的直升飛機,直升飛機螺旋槳產(chǎn)生升力的原因其實和固定翼式飛機螺旋槳產(chǎn)生拉力的原因相同。