力学分析之：飞机的飞行

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大气结构

飞行所处的大气是环绕地球并贴近其表面的一层空气包层。它是地球的相当重要的一个组成部分，就像海洋或者陆地一样。然而，空气不同于陆地和水是因为它是多种气体的混合物。它具有质量，也有重量和不确定的形状。空气像其它任何流体一样，由于分子内聚力的缺乏，当受到非常微小的压力时就会流动和改变它的形状。例如，气体会充满任何装它的容器，膨胀和传播直到其外形达到容器的限制。

大气的组成是由78％的氮气，21％的氧气以及1％的其它气体，如氩气和氦气。由于部分元素比其它的重，较重的气体如氧气有个天然的趋势，会占据地球的表面，而较轻的气体会升到较高的区域。这就解释了为什么大多数氧气包含在35000英尺高度以下。

因为空气有质量也有重量，它是一个物体。作为一个物体，科学定律会向其它物体一样对气体起作用。气体驻留于地球表面之上，它有重量，在海平面上产生的平均压力为每平方英寸14.7磅，或者29.92 英寸水银柱高度。由于其浓度是有限的，在更高的高度上，那里的空气就更加稀薄。由于这个原因，18000英尺高度的大气重量仅仅是海平面时的一半。

大气压力

尽管有多种压力，这里的讨论主要涉及大气压力。它是天气变化的基本因素之一，帮助提升飞机，也驱动飞机里的某些重要飞行仪表。这些仪表是高度仪，空速指示仪，爬升率指示仪和进气压力表。

虽然空气很轻，也受重力吸引的影响。因此，和其它物质一样，由于有重量，就产生了力量。由于它是流体物质，朝各个方向施加的力是相等的，它作用于空气中物体的效果就是压力。在海平面的标准条件下，由于大气重量而施加于人体的平均压力大约14.7lb/in。空气密度对飞机的性能有重大的影响。如果空气密度变低：

  · 飞机会降低动力，因为发动机吸收更少的空气。

  · 降低推力，因为螺旋桨在稀薄的空气里更低效。

  · 降低升力，因为稀薄的空气对机翼施加的力量更小。

压力对密度的影响

由于空气是气体，它可以被压缩或者膨胀。当空气被压缩时，一定的容积可以容纳更多的空气；相反的，当一定容积上空气的压力降低时，空气会膨胀且占据更大的空间，那是因为较低压力下的最初空气体积容纳了更少质量的空气。换句话说，就是空气密度降低了。事实上，密度直接的和压力成比例。如果压力增倍，密度也就增倍；如果压力降低，密度也就相应的降低。这个说法只在恒定温度条件下成立。

温度对密度的影响

增加一种物质的温度的效果就是降低其密度。相反的，降低温度就有增加密度的效果。这样，空气密度就和绝对温度成反比例变化。这个说法只在恒定压力的条件下成立。在大气中，温度和压力都随高度而下降，对密度的影响是矛盾的。然而，随着高度的增加压力非常快的下降是占主要影响的。因此，可以预期密度是随高度下降的。

湿度对密度的影响

前面段落的叙述都假设空气是完全干燥的。实际上，空气从不是完全干燥的。空气中的少量水蒸气在特定情况下几乎可以忽略，但是在其它条件下湿度可能成为影响飞机性能的重要因素。水蒸气比空气轻，因此，湿空气比干空气要轻。在给定的一组条件下，空气包含最多的水蒸气则其密度就最小。温度越高，空气中能包含的水蒸气就越多。当对比两个独立的空气团时，第一个温暖潮湿（两个因素使空气趋于变轻）的和第二个寒冷干燥（两个因素使得空气变重）的气团，第一个的密度必定比第二个低。压力，温度和湿度对飞机性能有重要的影响，就是因为它们直接影响空气密度。

运动和力的牛顿定律

在17世纪，哲学家和数学家牛顿提出了三个基本的运动定律。它在这样做的时候脑子里确定无疑的没有飞机这个概念，但是几乎所有已知的运动都可以回到这三个定律。这些定律以牛顿的名字命名如下：

牛顿第一定律：
一个静止的物体有维持其静止状态的特性，运动中的物体有维持其原有速度和方向的特性。简而言之，本质上，一个物体一直保持其运动状态直到有外界力量改变它。停机坪上的静止飞机会一直保持静止，除非施加一个足够强的克服其惯性的力。然而，一旦其开始运动，它的惯性会让它保持运动，克服施加于飞机上的各种其它力量。这些力量或推动其运动，或减慢其速度，或改变它的方向。

牛顿第二定律：
当一个物体受到一个恒定力的作用时，其加速度和物体的质量成反比，和物体所施加的力成正比。这里所涉及的就是克服牛顿第一定律的惯性因素。其包含方向和速度的改变，有两层含义：从静止到运动（正加速度）和从运动到停止（负加速度或者减速）。

牛顿第三定律：
无论何时一个物体对另一个物体施加力量，那么另一个物体也对这个物体施加力量，这个力的大小是相等的，而方向是相反的。开火时，枪的反作用力是牛顿第三定律的形象化例子；游泳冠军在折回时，对游泳池壁施加反作用力；婴儿学步－都会失败，但是现象都表现了这个定律。飞机上，螺旋桨转动向后推动空气，所以，空气向相反的方向推螺旋桨－飞机前进。在喷气式飞机上，发动机向后推动热空气气流，作用于发动机的反向等大小的作用力推动发动机，使得飞机前进。所有交通工具的运动都形象的演示了牛顿第三运动定律。

马格努斯效应

通过观察气流中旋转的圆柱，可以很好的解释升力的原因。靠近圆柱的局部速率由气流速度和圆柱的旋转速率共同决定，距离圆柱越远其速率越低。对于圆柱，顶部表面的旋转方向和气流方向一致，顶部的局部速率高，底部的速率低。

如下图所示，在A点，气流线在分支点分开，这里有个停滞点，一些空气向上，一些空气向下。另一个停滞点在B 点，两个气流汇合，局部速度相同。现在圆柱面前部有了升流，后面有降流。

表面局部速度的差别说明压力的不同，顶部压力比底部低。低压区产生向上的力称为“马格努斯效应”。这种机械降低的循环，演示了旋转和升力之间的关系。如下图所示，正迎角的机翼产生的气流使得机翼尾部的停滞点称为尾部边缘的尾巴，而前面的停滞点到机翼边缘的下方。

压力的伯努利原理

牛顿发表其定律的半个世纪之后，一个瑞士数学家伯努利先生解释了运动流体（液体或者气体）的压力，是如何随其运动速度而变化的。特别说道运动或者流动的速度增加会导致流体压力的降低，这就是空气通过飞机机翼上曲面所发生的。

可以使用普通管子里的水流来作个模拟。在恒定直径的管子中流动的水对管壁施加一致的压力；但是如果管子的一段直径增加或者降低，在那点水的压力是肯定要变化的。假设管子收缩，那么就会压缩这个区域里的水流。假设在一样的时间流过收缩部分管子的水量和管子收缩前是一样的，那么这个点的水流速度必定增加。

因此，如果管子的一部分收缩，它不仅增加流速，还降低了所在点的压力。流线型的固体（机翼）在管子中同一点也会得到类似的结果。这个原理是空速测试和机翼产生升力能力分析的基础。

伯努利定理的实践应用是文氏管。文氏管的入口比喉部直径大，出口部分的直径也和入口一样大。在喉部，气流速度增加，压力降低；在出口处气流速度降低，压力增加。如下图所示。

来源：摘录自《飞行员航空知识手册（中文版）》