飛機(jī)動(dòng)力學(xué)演變
作者： ${content.author} 時(shí)間：2021-09-13 瀏覽量：4,463人類自古以來(lái)就夢(mèng)想著能像鳥兒一樣在天空中飛翔。而二十世紀(jì)最重大的發(fā)明之一——飛機(jī)，則承載著人類搏擊長(zhǎng)空的夢(mèng)想。從依靠自身動(dòng)力的滑翔機(jī)到現(xiàn)在節(jié)能減排的電動(dòng)飛機(jī)，無(wú)不展現(xiàn)科學(xué)家對(duì)于飛機(jī)動(dòng)力不斷探索的智慧，當(dāng)然，他們是站在前人的肩膀上，不斷探索，精益求精，取得如此成就。接下來(lái)，請(qǐng)隨我一起，依托展項(xiàng)，了解飛機(jī)動(dòng)力的奧妙，體會(huì)科學(xué)家不斷探索的偉大精神。
就算沒有翅膀,也要?jiǎng)?chuàng)造翅膀去自由飛翔。1801年,英國(guó)的喬治·凱利爵士在研究了風(fēng)箏和鳥的飛行原理之后,于1809年試驗(yàn)制造了一架滑翔機(jī)，由此開啟了人類滑翔藍(lán)天的時(shí)代?；铏C(jī)大多沒有動(dòng)力裝置，只依靠氣流進(jìn)行滑翔與翱翔。那滑翔機(jī)是怎么運(yùn)用氣流的呢？這就要用到伯努利原理，那什么是伯努利原理呢？我們通過(guò)這個(gè)展項(xiàng)——看誰(shuí)吹的高來(lái)了解一下。展臺(tái)的管道內(nèi)各有五只小球，當(dāng)我一會(huì)兒點(diǎn)擊按鈕，風(fēng)會(huì)在最左側(cè)出風(fēng)口吹出，大伙兒先來(lái)猜一下，哪只小球被吹的最高？同學(xué)們說(shuō)離風(fēng)口越近，風(fēng)越有勁兒，小球就會(huì)越高。是不是這樣呢？我們來(lái)驗(yàn)證一下，點(diǎn)擊按鈕，我們看到離出風(fēng)口最遠(yuǎn)的乒乓球反而被吹得最高，后面的小球慢慢下降，依次遞減，靠近吹風(fēng)口的小球居然被吹得最低。因?yàn)楦鶕?jù)伯努利原理，在流體運(yùn)動(dòng)中，流速快時(shí)壓強(qiáng)小，流速慢時(shí)壓強(qiáng)大，靠近風(fēng)口的位置，雖然風(fēng)速大，但壓強(qiáng)小，很難把小球托起來(lái)，遠(yuǎn)離風(fēng)口的位置，雖然風(fēng)速小，但是壓強(qiáng)大，很容易就把小球給頂上去?；铏C(jī)機(jī)身呈明顯的流線形，這樣可以在飛行中減少空氣的阻力。而機(jī)翼狹長(zhǎng)，且切面成拱形，在拱形的上表面，空氣流動(dòng)速度較快，在較短的下表面，空氣流動(dòng)速度慢，根據(jù)伯努利原理，流速快壓力小，流速慢壓力大，上面形成氣旋，下面產(chǎn)生壓力，因此就有了一個(gè)升力?，F(xiàn)在飛機(jī)機(jī)翼的設(shè)計(jì)延用了這一原理的運(yùn)用。當(dāng)然，伯努利原理只是飛機(jī)的起飛原理之一，只有當(dāng)機(jī)翼移動(dòng)起來(lái)，才適用這一規(guī)律。這表明飛機(jī)只有獲得了一定動(dòng)力才能從地面起飛，而且飛機(jī)的重量越大，起飛需要的行程也就越長(zhǎng)，能夠?yàn)轱w機(jī)提供足夠快的速度，而飛機(jī)的推動(dòng)力又是有螺旋槳的拉力，或者噴氣式推進(jìn)裝置的推力提供的。
在1903年，美國(guó)的萊特兄弟以滑翔機(jī)為基礎(chǔ)，制造出了第一架動(dòng)力飛機(jī)——“飛行者”1號(hào)，并且獲得試飛成功。這架飛機(jī)安裝了泰勒發(fā)明的活塞式發(fā)動(dòng)機(jī)，而這種發(fā)動(dòng)機(jī)是將燃料燃燒產(chǎn)生的熱能轉(zhuǎn)變成機(jī)械能，從而為推動(dòng)螺旋槳轉(zhuǎn)動(dòng)。那么，它是怎樣完成這個(gè)能量轉(zhuǎn)換過(guò)程的呢？咱們來(lái)看看這件展品——發(fā)動(dòng)機(jī)，要完成這個(gè)能量轉(zhuǎn)換必須經(jīng)過(guò)進(jìn)氣，需要把可燃混合氣引入氣缸；然后將進(jìn)入氣缸的可燃混合氣壓縮，壓縮接近終點(diǎn)時(shí)點(diǎn)燃可燃混合氣；可燃混合氣著火燃燒膨脹，推動(dòng)活塞下行實(shí)現(xiàn)對(duì)外作功；最后排出燃燒后的廢氣。即進(jìn)氣、壓縮、作功、排氣四個(gè)過(guò)程。隨著發(fā)動(dòng)機(jī)的不斷改進(jìn)，1939年8月，德國(guó)率先研制出了第一架噴氣式飛機(jī)，二戰(zhàn)末期，出現(xiàn)了配備全新的推進(jìn)裝置的戰(zhàn)斗機(jī)。 上世紀(jì)而六十年代，波音707的出現(xiàn)，標(biāo)志著民用航空使用的活塞式發(fā)動(dòng)機(jī)最終被噴氣式發(fā)動(dòng)機(jī)取代。
20世紀(jì)初，螺旋槳式飛機(jī)與噴氣式飛機(jī)相繼出現(xiàn)并得到廣泛運(yùn)用，兩者利用到了基于牛頓第三定律的作用力與反作用力的科學(xué)原理。作用力與反作用力是對(duì)平衡力，大小相等，方向相反，并遵循動(dòng)量守恒的定律。我們來(lái)看看什么是動(dòng)量守恒，拉起第一個(gè)鋼球，然后松手，我們可以看到鋼球相繼碰撞，最后一個(gè)鋼球被撞起到一定的高度，仔細(xì)發(fā)現(xiàn)，拉起第一個(gè)鋼球的高度與最后一個(gè)鋼球上升的高度是一樣的，當(dāng)我同時(shí)拉起兩個(gè)、三個(gè)，現(xiàn)象是一樣的，因?yàn)楫?dāng)我拉起鋼球時(shí)，它們具有了勢(shì)能，當(dāng)放下小球且小球與相鄰球碰撞時(shí)，勢(shì)能轉(zhuǎn)換成動(dòng)能，經(jīng)過(guò)中間小球的傳遞，動(dòng)能又轉(zhuǎn)換成勢(shì)能，原先靜止的小球被撞起，如此周而復(fù)始，最后受磨擦阻力等影響，運(yùn)動(dòng)漸漸停止。一個(gè)系統(tǒng)不受外力或所受外力之和為零，這個(gè)系統(tǒng)的總動(dòng)量保持不變，這個(gè)結(jié)論叫做動(dòng)量守恒定律。動(dòng)量守恒定律是自然界最普遍、最基本的規(guī)律之一。不僅適用于宏觀物體的低速運(yùn)動(dòng)，也適用于微觀物體的高速運(yùn)動(dòng)。小到微觀粒子，大到宇宙天體，無(wú)論內(nèi)力是什么性質(zhì)的力，只要滿足守恒條件，動(dòng)量守恒定律總是適用的。
隨著科技的不斷進(jìn)步，飛機(jī)得到了廣泛的運(yùn)用，民航機(jī)、直升機(jī)在現(xiàn)在可以說(shuō)是抬頭皆可見，比如讓我們國(guó)人引以為豪的擁有自主產(chǎn)權(quán)的C919民用飛機(jī)。目前，大多數(shù)的飛機(jī)以化石能源為動(dòng)力，所以對(duì)大氣造成嚴(yán)重污染，據(jù)統(tǒng)計(jì)，2019年，單航空業(yè)的碳排放量占全球總排放量的2.5%，于是科學(xué)家不斷探索電動(dòng)飛機(jī)，電動(dòng)飛機(jī)依靠電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)，電力來(lái)源包括燃料電池、太陽(yáng)能電池、超級(jí)電容器、無(wú)線能量傳輸或其他種類的電池等。優(yōu)點(diǎn)是節(jié)能環(huán)保，高效率低能耗，同時(shí)實(shí)現(xiàn)接近零排放，噪聲和振動(dòng)水平很低，是名符其實(shí)的環(huán)境友好飛機(jī)。2010年4月7日，瑞士的“陽(yáng)光動(dòng)力”號(hào)太陽(yáng)能飛機(jī)首次成功試飛，不過(guò)，目前研制的電動(dòng)飛機(jī)多數(shù)屬于實(shí)驗(yàn)性質(zhì)的試用品，還未投入市場(chǎng)。接下來(lái)，咱們館里正好有件展項(xiàng)——太陽(yáng)能飛機(jī)，我們一起來(lái)看看這里的飛機(jī)是怎么運(yùn)作的。我們來(lái)看每支飛機(jī)的機(jī)翼下面都有安裝太陽(yáng)能電池板，我們按下按鈕，會(huì)有燈光射出，我們用燈光模擬太陽(yáng)光，通過(guò)鏡面的反射作用，把燈光反射到太陽(yáng)能電池板上，這時(shí)，光能迅速轉(zhuǎn)化為電能，電能驅(qū)動(dòng)飛機(jī)模型環(huán)繞飛行。
從滑翔機(jī)的誕生到現(xiàn)在電動(dòng)飛機(jī)的探索，昭示著科技的不斷進(jìn)步，這都源于科學(xué)家們站在巨人肩膀上不斷地創(chuàng)新與嘗試?？萍际敲褡灏l(fā)展之基，創(chuàng)新是民族進(jìn)步之魂，在這里，我號(hào)召大家多多學(xué)習(xí)科學(xué)知識(shí)，把知識(shí)轉(zhuǎn)化為造福人類的力量！
