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 > 5-4-1 空气动力学：进一步认识升力与阻力 > Video
好 这一节呢 我们通过“空气动力学”
讲解一下 “飞机 能够保证它飞得又快又稳!”
大家有没有见过 飞机升降的时候，
它的机翼有所变化。
为什么要进行这个机翼的变化的控制呢？
这里边涉及到“空气动力学”的一些道理。
那“空气动力学”是干什么呢？
它是研究 物体 与空气
相对运动下 受力的特性、
气体的流动的规律,
以及 伴随发生的物理、化学变化，
等等 这些知识。
我们经过“空气动力学”的讲解
来进一步认识‘升力’。
前面我们提到 “飞机是有升力 而飞起来的”
我们看看这个‘飞机升力’
具体有一些什么样的道理、
和“流体力学”的知识？
我们 重点看一看这个机翼--
如果 改变它的形状、
还有 改变机翼的轴线
与来流的空气之间的夹角--
我们把这个角度呢 叫“攻角” (α表示)，
改变这两个因素呢
升力呢 就会发生变化。
在有些教材里边 会给出这么一个
升力的 随着攻角的变化的曲线：
我们看到 这是 升力系数Cp--
它是一个无量纲的参数，
就是：气压 除上一个基准值--
2分之1 空气密度 乘上 来流的速度平方。
从这个图上 可以看到
随着攻角α的不断的增高，
升力呢 也会升高，
但是呢 它有一个限度--
达到了一定的攻角之后，
升力呢 反而会下降！
我们把这一个点呢 叫做“失速点”
我们看看 这下面这个图：
不同的攻角 α：这个5度、15度、10度、22.5度--
在不同攻角下的机翼
周围的流场的分布。
我们在 路上开车，
如果加油门的话，
我们的汽车速度 可以提高。
但是飞机呢 如果 仅靠加油门的话，
我们不一定 能够 一直 把飞机速度 会提高。
因为啥呢 我们看到：
达到了一个极限值--失速点的时候，
你再去加油门 假如速度再提高，
它这个压差啊 会 进一步提高，
进一步提高 你的飞机就会 往上漂了！
我们怎么能够 既保持一定的速度、
又保持飞机避免上漂？！
我们经常会 有几种途径：
一个是我们 减少攻角α--
减少攻角α呢 我们可以减低升力系数，
从而抵消掉呢
这个压差提高 而造成的上漂效果；
另外呢 我们还可以 在降落的时候 我们减速--
减速的时候，为防止掉落，
这样的话呢 我们还需要保持一定的压差。
所以我们在 飞机降落的时候，
一般要 翘起头来 或者尽量迎风降。
为了减少滑行的距离呢
我们可以改变这个机翼的形状，
甚至 我们增加一个所谓的 ‘襟翼’--
增加这个攻角 增加降落时候的升力。
我们知道 这个飞机啊
70%的空难 在起飞前后的10分种之内。
我们再 放大机翼的流场 它的图片，
以及 机翼的改变的一个图片--
它 增加压力 增升的装置，
所以把它叫“增升装置”。
另外 我们再考虑一个问题：
为什么飞机的尾部 也是尖的？
有时候甚至比头部 设计还更更尖一些！
还有 我们 为啥飞机起飞以后
一定要收起‘起落架’?
我们知道 收起落架
有时候失灵的话 也会造成空难！
另外 我们 接下来呢 还会 要解释一下：
高尔夫球表面 为什么有窝纹、
而不是光滑的？
这些知识啊 都 牵扯到‘飞行阻力’的问题--
我们 不光有升力 在飞行过程中(还)有阻力。
我们看看这个 空气飞行中的物体，
它受到的阻力是怎么产生的？
大家也推过桌子--
我们把桌子推的时候,
也会受到 地面的摩擦阻力,
当然这个地面摩擦阻力 它是静摩擦力,
在一定范围里边 随着推力的增大，
静摩擦力 也会增大，
当然 静摩擦力增大到一定程度，
它会变成这个滑动摩擦力 就不再增大了--
这时候与你推动的(速度)力也没关系了。
这个固体与固体之间--
我们桌子跟地面
是固体与固体之间的阻力呢
比较简单：
摩擦力 达到一定的限度以后，
滑动摩擦力 从它的正压力 就可以算出来。
但是在这个 固体和流体之间，
像我们飞机飞行 就属于固体流体之间，
高尔夫球飞行 也是这样的。
比如说我们 在静静的湖面
你轻轻地推一个小船，
小船就会荡漾起来了...
为什么它会荡漾起来呢？
因为我们静止的流体，
小船不去 行驶的过程中，
静静的在湖面上，
水给它的阻力呢 接近于0--
可以说 没有阻力！
但是 如果你把这个船 放到岸上，
显然 你去推船的话 困难就大了！
那么所以呢 我们古人呢 就开运河呢 来减轻
这个船(的)阻力。
那么 流体 对运动的固体，
它的阻力呢
它 静止的时候 没有阻力，
运动的时候 它就有阻力，
而且运动得越快呢 阻力 越大。
所以我们叫“静则无、动则有、快则大”。
物体 在流体中运动，
它受到的阻力随着速度是增大的，
具体 是怎么个规律呢？
我们 大概有这么一些研究--
得到的结论就是：
在低速的物体运动的时候 它阻力呢
基本上跟 运动速度 成正比，
达到一定的 速度之后呢
它会跟 速度的平方 成正比、
甚至3次方 成正比，
这样的一些规律。
那么 这些规律是不是总是这样的呢？
我们看看 飞行阻力 基本上我们可以说
跟这个 2分之1 空气密度
乘上 来流速度的平方 成正比，
当然 还有物体的表面--
迎风面积 S 有关系。
当然 在高空飞行的时候，
我们这个摩擦阻力 就可以忽略不计了。
下面关于阻力呢 我们很多研究：
大家看看 两个球--
比如说 针对高尔夫球吧--
光滑的球 和粗糙的球。
那么 这左边这个图片呢
来流速度 我们用 V无穷大 来表示。
那么这两个球 如果它的 质地都一样、
大小也相同，
这时候我们 做的实验
看看：受到的阻力 跟 来流的速度
有一个曲线关系--
我们看看 粗糙的球 是这个点画线的，
光滑球受到的阻力 是这个实线的。
这个 曲线表明了： 在A点到B点 速度段里面呢
光滑球受到的阻力 反而比粗糙球还大--
最大相差五倍！
也就是我们把这个曲线分成三段:
OA段 这个光滑球受到的阻力 小于粗糙球的；
在AB段 光滑球受到的阻力 比粗糙球 还大；
再 速度继续提高--超过B点的话，
光滑球受到的阻力 又小于粗糙球的阻力。
那么 我们的高尔夫球 大家看看：
飞行速度刚好落在AB这一段，
因此呢 窝纹球啊
它的受到的阻力呢 反而比光滑球要小！
通过小视频呢 可以看到：
窝纹球后面形成的湍流区，
比这个光滑球要小一些。
那么关于 高尔夫球的距离 和远近呢
我们也分 你是 职业高尔夫球手、
还是一般的 爱好者，
他们的距离、速度都有差别的。
那么事实上 流体 它里边
运动物体的阻力 来自于两个方面：
一个是摩擦阻力、一个是压差阻力，
我们这个压差阻力呢 是我们主要的来源！
更多的压差实验表明呢
飞行物体 受到的流体的压差阻力啊
跟三个因素有关系：
一个是最大迎风面积、
一个是形状，还有它在流场中的位置 有关系，
基本上与表面积 没有关系。
我们右边这个图片 看到：
在风洞里边做的“等阻模型试验”--
我们看到：圆球、半圆球、
圆板盘，还有圆锥、还有流线体，
它们形状不一样 迎风面积也不一样，
只要这个位置相同的话，
它们受到的 流体的阻力啊 居然是一样的！
而 其中这个
如果说 你的迎风面积和位置相同的时候，
只与形状有关系。
我们看到 流线体啊
它在这里边 受到的阻力是 最小！
因此呢 高速的流速
造成的压差阻力 几乎 只与形状有关系！
比如说我们看到 这三个--
一个是圆盘、一个是圆锥,
还有一个 对称的圆锥，
那么基本上 实验结果 表明了：
圆锥 它受到的阻力
跟 是这个圆盘的5分之1，
圆锥本身受到的 压差阻力呢
跟这个对称的圆锥 又是5倍的关系--
是5分之1对称的圆锥，
所以 这个对称圆锥最小。
当然 要了解压差阻力的本质呢，
还需要更多的“流体 动力学”的知识。
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