当前课程知识点：力学与现代生活——开启科学人生 > 第五章 “流”力世界——航空与航天 > 5-3-2 马格努斯效应、飞机升力、风洞 > Video
好 接下来我们再看看
香蕉球是怎么回事？
还有 看看我们游泳池哪里最不安全？
那么 要了解香蕉球是怎么回事呢
我们先看看 有一个基本的知识--
叫“马格努斯力”
这个马格努斯力呢 它是
“旋转物体飞行过程中 受到的一个侧向力”
关于游泳池哪里最不安全的话呢
我把答案告诉大家--
就是我们 游泳池底部
换水的那个管道口 最不安全！
因为它有比较大的吸引力。
那么我们重点来看看 马格努斯力，
它是来自于所谓的“马格努斯效应”
这个效应呢 最早也是
1852年 德国科学家 马格努斯
他在研究旋转的炮弹，
或者旋转的子弹飞行的时候，
发现有这么一个效应。
总的来说，
这个效应 可以简单用一句话说--
叫：旋转物体飞行过程中
会受到侧向力的作用。
它怎么来的呢？
我们可以先想一想：
我们把手 放到一个水盆子里面、
(再)把你的手从水盆提出来，
手上就会有一层水 我们叫‘水膜’
这是因为水呢 它也是流体--
它有‘黏性’ 它会沾到你手上，
如果没有黏性 你的手将会不会沾水。
我们那个球 在空气中旋转、飞行，
它也会带动周围的空气运动。
那么空气也有黏性--
像手从水里面提出来一样！
那么 空气有黏性。
我们知道 空气有黏性了，
接着 我们按照 贝努利方程 来解释，
像：这样一个旋转的球，
根据它的流场，
这是箭头 沿蓝色的箭头上 往前飞行，
还有它自己的旋转，
这个旋转呢 因为黏性呢 造成上半部分
飞行方向呢 迎着飞行面的空气流速加大，
而背着飞行面呢 流速减小，
因此呢 背着飞行面的流场的压力--
(下部)空气的压力就大 而迎风面上部就会小(口误)。
那么 我们看到这个图 就一方面
沿着箭头方向在飞行，
一方面 它有一个自转的旋转方向，
那么它就会受到 侧向的压力。
那么实际这个力呢 我们可以用简单的“右手法则”
来确定：我们手指头伸开，
食指呢 指向那个飞行的速度，
而其他三指呢 是表示旋转的方向，
大拇指呢 不要是垂直向上，
而是水平 指向左侧。
所以我们看到 香蕉球 踢的过程中
它往前飞行 而且它有自转；
如果是右脚踢，
它有 从右往左的一个侧向力，
它就会‘弧形’地飞向球门。
那么相类似的 我们发这个 旋转的乒乓球、
弧旋球 也是这个道理；
还有我们投篮球--
投出去 到落到篮里面 产生一个弧旋--
弧度的路径，
它受到一个侧向力，
开始用 四指呢 把它加速一个旋转；
还有 西方 他们 有一种叫冰壶的运动，
它也是--
运动高手 他抛球的时候 也是走弧线的。
这些现象呢 其实都可以从“环流理论”
来进行解释。
好 接下来我们看看 飞机是怎么飞起来的？
大家可能 有的 知道一些。
我们看那个飞机呀 都是 一定要有机翼，
这个机翼呢 它是在 飞行过程中啊
它会受到‘升力’。
这个升力怎么产生的呢？
我们仔细来看看：
这个飞机的机翼 一般设计的形状
都必须是 “上面凸、下面平 或者凹进去”
基本上 我们看到 这么一个
机翼的横截面的形状。
如果空气 从前面
来到了、吹到了机翼前部的话，
我们看 同样的一部分 气流
要被这个机翼呢 分成两个路径：
一个是经过它的 机翼的上表面，
一个是经过机翼的下表面。
那么 因为上表面凸出--
机翼的轮廓是凸出的，
而下表面 是水平的 或者凹进去，
这时候 要同样体积的流束
从前面被分开、到后面
完全地 又汇合到一起，
这样的话，它上表面的速度就要大！
为什么呢？
上表面凸出了 它的路径要比底下要长，
所以呢 上表面的空气流速 就会比下面的要大。
我们知道 贝努利方程--
上表面的空气速度大，
空气压力作用到机翼的表面压力 就小，
而 下面的流速大 就会受到比较大的
作用在机翼表面上的空气压力。
那么这两个压力 就会构成了一个压力差，
这个压力差呢 乘上机翼的面积，
就会形成一个综合的、向上的升力。
我们可以算算 这个升力：
就是 ΔP--
这个压力差 乘上机翼的面积，
它是向上的。
我们以波音747 做个例子--
假如波音747 它的自己重量 大概是180t，
再加上 载人 载重是66t，
机翼面积 500平方米，
它的巡航速度 每秒呢 250米。
如果说 要在上下翼面上产生
每秒22米的
气流速度差 (ΔV) 我们可以算 升力的大小
2分之1 ρ (空气的密度) 乘上
上表面的速度平方 减上 下表面速度平方，
再乘上 这个机翼面积，
算下来就是 达到了 3674.88千牛--
折合成吨的话，就是 367吨的升力。
那么这个367吨，
就是超过了 机翼本身的重量--
180吨 加上 载的乘客 66吨，
它们 加起来 是246吨。
所以呢 367吨 足够 把这个飞机 加上乘客，
把它推举起来！
当然我们飞机要 产生这样个流速差，
必须事先要起飞--
要有一个滑行过程，
让这个速度呢 首先 有一个 速度差--
达到 每秒 22米 这么一个水平。
这就是 为什么飞机能够飞起来。
但是飞机 真正的要升空的话，
实际上还受到一些‘飞行阻力’，
还要经过 一些 反复的 研究实验，
最终 设计出来 实用的、安全的飞行飞机。
那么 这里面呢 我们下面看看
飞行器研制过程中 要用到的实验装置--
我们叫“风洞” 号称为航空飞行器的摇篮！
那么 风洞啊 实际上也是标志着一个国家的科技水平，
以及是否有这么一个重要的战略资源的一个
实验装置。
风洞呢 它是 来自于“相对运动原理”--
我们知道 最早 伽利略 提到的相对性原理，
就是说：我们 物体在运动的时候，
受到静止的空气，所受到的它的作用力呢
实际上 等于 跟我们空气在运动、在流动，
而物体静止，
这个相对静止来说 是一样的。
那么这样呢 我们就基于这个原理
进行这个空气动力学实验。
那么 我们看看 这是一个风洞的一个图片。
那么风洞呢 它分：低速风洞、高速风洞
和超高速风洞，
速度范围呢 小于0.4倍 马赫--
也就是小于 每秒130米的气流速度的话，
我们把它归为 低速风洞；
如果在 0.4 到4.5马赫的，
这样的一个速度范围 我们叫高速风洞--
也就是 亚音速 到跨音速这个阶段；
如果 大于5马赫的气流速度，
它是属于 超高速风洞。
在 风洞里面 我们要确定气流的速度，
通常我们应用这个伯努利原理 来测流速，
就是 我们叫“皮托管”
我们有些教材里面有的，
大家可以去 搜索看一看。
这里呢 我们显示一下 低速风洞的大致结构--
气流在里面 是怎么循环的？！
它分：扩压段--
它这个扩压段 还有 到实验段，
还有 收缩段、还有 稳定段、
到回流段 以及再回到 扩压段，
这么一个循环过程。
通常呢 在实验段这一块呢
我们就是把 被实验的物体--
像：飞机模型呢 甚至高层建筑的模型呢
实体啊 甚至有些实体导弹呢
放到实验段的风洞里面。
我们看 这 下面这个图--
就是 把飞机模型 放到这个风洞里面，
这是我们中国气动力学研究发展中心的
实验模型。
那么 事实上 现代空天研发呢 三大手段呢
其中 第一大手段 就是我们的风洞实验，
然后 接下来 我们 现在有 数值计算，
再进行 模型的飞行 这三个阶段。
我们在风洞实验里面，
通过改变 气流的速度、气流的流量，
还有 气流的时变特性，
还有甚至 物体的被实验模型的迎风角，
来观测 被测量的模型、物体，
它受到的一些 空气压力的分布，
以及它的 气动力学特性。
关于风洞呢 我们这里呢
我们就 介绍到这里。
-1-1-1 认识自然：人感知的力、遨游宇宙人生
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-1-1-3 相对论、黑洞、引力波
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