“速度真快,都要飛起來了”,我們經常用類似的語言來形容一個物體的移動速度很快,但實際上是一個飛不起來的物體,無論移動速度多快,它終究都是飛不起來的。
飛機起飛時的速度與當時的風速、飛機的載重等很多因素都有關系,并不是一個固定的數值,但粗略來講,一般民航客機的擡頭速度大概在每小時250公裡到290公裡之間,而戰鬥機的起飛速度大概要達到每小時350公裡左右。毫無疑問,加速是飛機起飛過程中的一個重要環節,但并不是最關鍵的因素,否則高鐵早就飛起來了。以中國自主設計并制造的“複興号”動車組為例,它的最高時速就可以達到每小時400公裡,比飛機起飛時的速度還要快,可它仍舊穩穩地待在軌道上。
一個物體想要飛起來就必須要獲得升力,而升力并不是由速度所直接提供的,隻有特殊的結構與速度相互配合,才能夠産生使物體升空的力量。
飛機與高鐵和汽車在結構上有什麼不同呢?最大的不同就在于飛機有兩個翅膀。自從1903年萊特兄弟發明飛機以來,飛機的外觀形态出現過各種各樣的變化,現在各種外觀結構千奇百怪的飛機更是層出不窮,但隻要是飛機,就少不了一個東西,那就是“機翼”。一架民航客機的滿載重量可以達到數百噸,隻是安上兩個翅膀,就能使這麼一個數百噸的龐然大物飛起來嗎?還真是如此。
機翼是如何使飛機獲得升力的?這還要從一個原理說起,那就是伯努利原理。
伯努利原理是由丹尼爾·伯努利與1726年所提出的,這一原理簡單來講就是在粘度可以忽略不計的理想水流或氣流之中,流體的流動速度越小,壓強就越大,反之流動速度越大,壓強就越小。關于伯努利原理,我們在日常生活中最為常見的一個例子就是等地鐵,當很多人一起站在站台邊等待地鐵進站時,就形成了一堵人牆,将前方與後方的空氣隔絕開來,此時地鐵進站,前方的空氣高速流動,所以壓強變小,而後方的空氣流動速度依舊很慢,所以壓強很大,于是我們就會感覺有一股力量将我們向前推,這股力量就是前後壓強差所造成的,很多時候我們還會誤以為是後面的人故意向前擠,從而引發矛盾。
在曆史上,某個國家就曾經出現過因為伯努利原理而導緻衆人跌落地鐵軌道的安全事故。
飛機的機翼同樣也是利用了伯努利原理,仔細觀察,我們就會發現無論外觀多麼不走尋常路的飛機,它的機翼都有着類似的特點,那就是機翼橫截面前端圓鈍,而後端尖銳,從上下觀察,機翼上方呈現隆起狀,而機翼下方則是基本平直的,之所以如此設計就是為了讓機翼上方與下方的氣流能夠在流速上産生差異。
當飛機開始在跑到上奔馳,機翼上方的氣流流動速度就會與下方的氣流流動速度産生差異,上方流動速度快,而下方流動速度慢。
随着飛機移動速度的增加,機翼上方與下方氣流的流動速度差異會越來越大,也就是說飛機上方的壓強越來越小,而下方的壓強則相對較大,于是就産生了升力,随着速度的提升,升力也逐漸增加,直至升力大于飛機自身的重力,此時飛機就能飛起來了。飛機獲得升力的大小與兩個因素緊密相關,一個就是飛機的移動速度,另一個則是飛機機翼的大小,機翼越大,其所獲得的升力也就越大,所以我們看到的運輸機通常都有着非常壯觀的“翅膀”。
升空後的飛機會盡快穿越對流層,使自己來到6000米到12000米的巡航高度,因為這裡的氣流運動以平流為主,所以被稱之為“平流層”。
飛機在平流層飛行,基本不會受到氣流的影響,相對比較穩定,所以這個時候空乘就會開始為我們提供服務了,而在飛機起飛和降落的時候,因為想穿越對流層,所以很容易出現颠簸,如果這個時候還在飛機中随意走動,很容易誘發安全事故,所以此時我們通常會被要求坐在座位上并系好安全帶。既然飛機的升力是基于氣體流動速度的差異,這就決定了飛機是不可能離開地球飛入太空的,至于英國某公司所開發的太空飛機,其實隻是有個飛機的樣子和飛機的名字而已,實際上它并不是飛機,這就好比甲魚并不是魚。
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