本篇文章我們來講解一下飛行中支配作用于飛機上力的基本物理定律，以及這些自然定律和力對飛機性能特性的影響。為了勝任的控制飛機，飛行員必須理解涉及的原理，學會利用和抵制這些自然力。

現代通用航空飛機可能有相當高的性能特性。因此，飛行員充分領會和理解飛行藝術所依賴的原理是越來越必要的。

大氣結構

飛行所處的大氣是環繞地球并貼近其表面的一層空氣包層。它是地球的相當重要的一個組成部分，就像海洋或者陸地一樣。然而，空氣不同于陸地和水是因為它是多種氣體的混合物。它具有質量，也有重量，和不确定的形狀。空氣象其它任何流體一樣，由于分子内聚力的缺乏，當受到非常微小的壓力時就會流動和改變它的形狀。例如，氣體會充滿任何裝它的容器，膨脹和傳播直到其外形達到容器的限制。

大氣的組成是由 78％的氮氣，21％的氧氣以及 1％的其它氣體，如氩氣和氦氣。由于部分元素比其它的重，較重的氣體如氧氣有個天然的趨勢，會占據地球的表面。而較輕的氣體會升到較高的區域。這就解釋了為什麼大多數氧氣包含在 35000 英尺高度以下。

因為空氣有質量也有重量，它是一個物體，作為一個物體，科學定律會向其它物體一樣對氣體起作用。氣體駐留于地球表面之上，它有重量，在海平面上産生的平均壓力為每平方英寸14.7 磅，或者 29.92 英寸水銀柱高度。由于其濃度是有限的，在更高的高度上，那裡的空氣就更加稀薄。由于這個原因，18000 英尺高度的大氣重量僅僅是海平面時的一半。

大氣壓力

盡管有多種壓力，這裡的讨論主要涉及大氣壓力。它是天氣變化的基本因素之一，幫助提升飛機，也驅動飛機裡的某些重要飛行儀表。這些儀表是高度儀，空速指示儀，和爬升率指示儀，和進氣壓力表。

雖然空氣很輕，也受重力吸引的影響。因此，和其它物質一樣，由于有重量，就産生了力量。由于它是流體物質，朝各個方向施加的力是相等的，它作用于空氣中物體的效果就是壓力。在海平面的标準條件下，由于大氣重量而施加于人體的平均壓力大約 14.7lb/in。空氣密度對飛機的性能有重大的影響。如果空氣密度變低，1)飛機會降低動力，因為發動機吸收更少的空氣，2)降低推力，因為螺旋槳在稀薄的空氣力更低效，3）降低升力，因為稀薄的空氣對機翼施加的力量更小。

壓力對密度的影響

由于空氣是氣體，它可以被壓縮或者膨脹。當空氣被壓縮時，一定的容積可以容納更多的空氣。相反的，當一定容積上空氣的壓力降低時，空氣會膨脹且占據更大的空間。那是因為較低壓力下的最初空氣體積容納了更少質量的空氣。換句話說，就是空氣密度降低了。事實上，密度直接的和壓力成比例。如果壓力增倍，密度也就增倍，如果壓力降低，密度也就相應的降低。這個說法隻在恒定溫度條件下成立。

溫度對密度的影響

增加一種物質的溫度的效果就是降低其密度。相反的，降低溫度就有增加密度的效果。這樣，空氣密度就和絕對溫度成反比例變化。這個說法隻在恒定壓力的條件下成立。在大氣中，溫度和壓力都随高度而下降，對密度的影響是矛盾的。然而，随着高度的增加壓力非常快的下降是占主要影響的。因此，可以預期密度是随高度下降的。

濕度對密度的影響

前面段落的叙述都假設空氣是完全幹燥的。實際上，空氣從不是完全幹燥的。空氣中的少量水蒸氣在特定情況下幾乎可以忽略，但是在其它條件下濕度可能成為影響飛機性能的重要因素。水蒸氣比空氣輕，因此，濕空氣比幹空氣要輕。在給定的一組條件下，空氣包含最多的水蒸氣則其密度就最小。溫度越高，空氣中能包含的水蒸氣就越多。當對比兩個獨立的空氣團時，第一個溫暖潮濕（兩個因素使空氣趨于變輕）的和第二個寒冷幹燥(兩個因素使得空氣變重)的氣團，第一個的密度必定比第二個低。壓力，溫度和濕度對飛機性能有重要的影響，就是因為它們直接影響空氣密度。

運動和力的牛頓定律

在 17 世紀，哲學家和數學家 牛頓提出了三個基本的運動定律。它在這樣做的時候腦子裡确定無疑的沒有飛機這個概念，但是幾乎所有已知的運動都可以回到這三個定律。這些定律以牛頓的名字命名如下：

牛頓第一定律：一個靜止的物體有維持其靜止狀态的特性，運動中的物體有維持其原有速度和方向的特性。

簡而言之，本質上，一個物體一直保持其運動狀态知道有外界力量改變它。停機坪上的靜止飛機會一直保持靜止除非施加一個足夠強的克服其慣性的力。然而，一旦其開始運動，它的慣性會讓它保持運動，克服施加于飛機上的各種其它力量。這些力量或推動其運動，或減慢其速度，或改變它的方向。

牛頓第二定律：當一個物體收到一個恒定力的作用時，其加速度和物體的質量成反比，和物體的所施加的力成正比。

這裡所涉及的就是克服牛頓第一定律的慣性的因素。其包含方向和速度的改變，有兩層含義：從靜止到運動（正加速度）和從運動到停止（負加速度或者減速）。

牛頓第三定律：無論何時一個物體對另一個物體施加力量，那麼另一個物體也對這個物體施加力量，這個力的大小是相等的，而方向是相反的。

開火時槍的反作用力是牛頓第三定律的形象化例子。遊泳冠軍在折回時對遊泳池壁施加反作用力，或者嬰兒學步－都會失敗，但是現象都表現了這個定律。飛機上，螺旋槳轉動向後推動空氣，所以，空氣向相反的方向推螺旋槳－飛機前進。在噴氣式飛機上，發動機向後推動熱空氣氣流，作用于發動機的反向等大小的作用力推動發動機，使得飛機前進。所有交通工具的運動都形象的演示了牛頓第三運動定律。

馬格努斯效應

通過觀察氣流中旋轉的圓柱可以很好的解釋升力的原因。靠近圓柱的局部速率由氣流速度和圓柱的旋轉速率共同決定，距離圓柱越遠其速率越低。對于圓柱，頂部表面的旋轉方向和氣流方向一緻，頂部的局部速率高，底部的速率低。

在 A 點，氣流線在分支點分開，這裡有個停滞點；一些空氣向上，一些空氣向下。另一個停滞點在 B 點，兩個氣流彙合，局部速度相同。現在圓柱面前部有了升流，後面有降流。表面局部速度的差别說明壓力的不同，頂部壓力比底部低。低壓區産生向上的力稱為“馬格努斯效應”。這種機械降低的循環演示了旋轉和升力之間的關系。正迎角的機翼産生的氣流使得機翼尾部的停滞點稱為尾部邊緣的尾巴，而前面的停滞點前到機翼邊緣的下方。

壓力的伯努利原理

牛頓發表其定律的半個世紀之後，一個瑞士數學家伯努利先生解釋了運動流體(液體或者氣體)的壓力是如何随其運動速度而變化的。特别的，它說道運動或者流動的速度增加會導緻流體壓力的降低。這就是空氣通過飛機機翼上曲面所發生的。

可以使用普通管子裡的水流來作個模拟。在恒定直徑的管子中流動的水對管壁施加一緻的壓力；但是如果管子的一段直徑增加或者降低，在那點水的壓力是肯定要變化的。假設管子收縮，那麼就會壓縮這個區域裡的水流。假設在一樣的時間流過收縮部分管子的水量和管子收縮前是一樣的，那麼這個點的水流速度必定增加。

因此，如果管子的一部分收縮，它不僅增加流速，還降低了所在點的壓力。流線型的固體(機翼)在管子中同一點也會得到類似的結果。這個一樣的原理是空速測試和機翼産生升力能力分析的基礎。

伯努利定理的實踐應用是文氏管。文氏管的入口比喉部直徑大，出口部分的直徑也和入口一樣大。在喉部，氣流速度增加，壓力降低；在出口處氣流速度降低，壓力增加。

機翼設計

由于機翼利用其在空氣中的運動産生力量，下面我們來講解機翼結構以及前面讨論的牛頓和伯努利定律的材料。

機翼是一種利用其表面上運動的空氣來獲得反作用力的結構。當空氣受到不同的壓力和速度時，其運動方式多種多樣。但是這裡讨論的是限于飛行中飛行員最關心的那些部分，也就是說機翼是用來産生升力的。看一下典型的機翼剖面圖，如機翼的橫截面，就可以看到幾個明顯的設計特征。

請注意機翼的上表面和下表面的彎曲(這個彎曲稱為拱形)是不同的。上表面的彎曲比下面的彎曲更加明顯，下表面在大多數具體機翼上是有點平的。在圖 2－5 中，注意機翼剖面的兩個極端位置的外觀也不一樣，飛行中朝前的一端叫 前緣，是圓形的，而另一端叫尾緣，相當的尖，呈錐形。

在讨論機翼的時候經常使用一條稱為弦線的參考線，一條劃過剖面圖中兩個端點前緣和後緣的直線。弦線到機翼上下表面的距離表示上下表面任意點的拱形程度。另一條參考線是從前緣劃到後緣的，叫“平均彎度線”。意思是這條線到上下表面輪廓是等距離的。機翼的構造通過成形來利用空氣的對應于特定物理定律的作用使得提供大于它的重量的作用力。它從空氣獲得兩種作用力：一種是從機翼下方空氣産生的正壓升力，另外就是從機翼上方産生的反向壓力。

當機翼和其運動方向成一個小角度傾斜是，氣流沖擊相對較平的機翼下表面，空氣被迫向下推動，所以導緻了一個向上作用的升力，而同時沖擊機翼前緣上曲面部分的氣流斜向上運動。也就是說，機翼導緻作用于空氣的力，迫使空氣向下，同時也就提供了來自空氣的相等的反作用力，迫使機翼向上。如果構造機翼的形狀能夠導緻升力大于飛機的重量，飛機就可以飛起來。

然而，如果所有需要的力僅僅來自于機翼下表面導緻的空氣偏流，那麼飛機就隻需要一個類似風筝的平的機翼。當然，情況根本不是這樣；在特定條件下被擾亂的機翼尾部氣流會足夠導緻飛機失去速度和升力。支撐飛機所需力的平衡來自機翼上方的氣流。這裡它是飛行的關鍵。大部分升力來自機翼上部氣流的下洗流(因機翼所産生的下降氣流)的結果，這個事實必須透徹的理解才能繼續深入的研究飛行。然而，給機翼上表面産生的力和下表面産生的力指定一個具體的百分比是既不正确也達不到實際目的。這些(來自上下表面的力以及它們的比例)都不是恒定值，它們的變化不僅取決于飛行條件還和不同的機翼設計有關。

應該明白不同的機翼有不同的飛行特性。在風洞和實際飛行中測試了成千上萬種機翼，但是沒有發現一種機翼能夠滿足每一項飛行要求。重量，速度和每種飛機的用途決定了機翼的外形。很多年前人們就認識到産生最大升力的最有效率的機翼是一種有凹陷的下表面的勺狀機翼。後來還認識到作為一種固定的設計，這種類型的機翼在産生升力的時候犧牲了太多的速度，因此不适合于高速飛行。然而，有一個需要說明的有趣事情，通過工程上巨大的進步，

今天的高速噴氣機又開始利用勺狀機翼的高升力特性這個優勢。前緣(Kreuger)襟翼和後緣襟翼從基本機翼結構向外延伸時，直接的把機翼的外形變化為經典的勺狀形态，這樣就能夠在慢速飛行條件下産生大的多的升力。

另一方面，特别流線型的機翼有時候風阻力很小，沒有足夠的升力讓飛機離地。這樣，現代飛機機翼在設計上采取極端之間的中庸，外形根據飛機的設計需要而變化。顯示了部分更加普通的機翼剖面。

低壓在上

在一個風洞或者飛行中，機翼僅僅是插入到空氣流中的流線型物體。如果機翼剖面是淚珠型外形，流過機翼上下表面兩邊的空氣速度和壓力的變化是一樣的。但是如果淚珠狀機翼沿縱向切去一般，就可以産生構成基本機翼剖面的外形。如果機翼有傾角，氣流就以一個角度沖擊它，由于上表面的彎曲引起運動距離的增加，導緻機翼上表面移動的空氣分子就被迫比沿下表面移動的分子更快。速度的增加降低了機翼上部的壓力。

伯努利壓力原理本身沒有解釋機翼上表面的壓力分布情況。後面将介紹流經靠近機翼曲面的不同路徑上空氣沖力的影響。

沖力是一種使物體運動方向或大小改變的阻力。當一個物體受力在環形路徑上運動時，它産生一個背向曲線路徑中心的阻力。這是“離心力”。當空氣粒子在曲線路徑 AB 上運動時，離心力趨向于把粒子向 AB 之間箭頭的方向上抛，這樣就導緻空氣在對機翼前緣施加正常壓力之外還有别的力。但是當空氣粒子通過 B 點(路徑彎曲的反轉點)之後，離心力趨向于把它們往 BC 之間的箭頭方向上抛(導緻機翼上壓力降低)。這個效應一直維持到空氣粒子到達 C點，C 點是第二個氣流彎曲反轉點。離心力再一次反轉，空氣粒子會趨向于給機翼尾部邊緣在正常壓力之外稍微多加一點力，如圖中 CD 之間短箭頭所示。

所以，機翼上表面的空氣壓力是分布式的，前緣所受的壓力比周圍的大氣壓力大的多，導緻了前進運動的強大阻力；但是在上表面的很大一部分(B 點到 C 點)空氣壓力小于周圍的大氣壓力。

就像應用伯努利原理的文氏管中所看到的，機翼上表面空氣的加速引起壓力的下降。這個較低的壓力是總升力的一部分。然而，機翼上下表面壓力差是總升力的唯一來源的設想是錯誤的。

還必須記住和較低壓力有關的是下洗力－機翼頂部表面向下向後的氣流。就像在前面對空氣動态作用相關的讨論中看到的那樣，氣流沖擊機翼的下表面，向下向後的氣流的反作用力是向前向上的。機翼上表面和下表面适用一樣的反作用力，牛頓第三定律再次得到體現。

高壓在下

在讨論和升力相關的牛頓定律章節裡，已經讨論了機翼下方的壓力條件特定大小的壓力是如何生成的。機翼下方的正壓力在迎角較大時也相應增加。但是氣流的另一方面也必須考慮。在靠近前緣的點，實際上氣流是停滞的(停滞點)，然後逐漸的增加速度。在靠近尾緣的某些點，速度又變到和機翼上表面的速度相同。遵循伯努利原理，機翼下方的氣流速度較慢，産生了一個支撐機翼的正壓力，當流體速度下降時，壓力必定增加。基本上，由于機翼上下表面的壓力差的增加，因此機翼上增加的總升力會導緻下表面壓力沒有增加。無論何時機翼産生的升力中伯努利原理和牛頓定律都生效。

液體流動或者氣體流動是飛機飛行的基礎，也是飛機速度的産物。由于飛機的速度影響飛機的升力和阻力，所以對飛行員非常重要。飛行員在最小滑翔角，最大續航力和很多其它飛行機動中使用空速飛行。空速是飛機相對于所飛過的空氣的速度。

壓力分布

從風洞模型和實際大小的飛機上所作的試驗上，已經确知在不同迎角的機翼表面氣流中，表面的不同區域壓力有負的（比空氣壓力小）也有正的(比空氣壓力大)。上表面的負壓産生的力比下表面空氣沖擊機翼産生的正壓得到的力更大。圖 2－8 顯示了三個不同迎角時沿機翼的壓力分布。通常，較大迎角時壓力中心前移，小迎角時壓力中心後移。在機翼結構的設計中，壓力中心的移動是非常重要的，是因為其影響大迎角和小迎角時作用于機翼結構上的空氣動力負荷的位置。飛機的航空動力學平衡和可控制性是由壓力中心的改變來控制的。壓力中心是通過計算和機翼迎角在正常的極值範圍内變化的風洞測試得到的。當迎角變化時，壓力分布特性也就不同。

這個力矢量應用的點在術語上稱為 “壓力中心 CP”。對于任意給定的迎角，壓力中心在合力矢量和弦線的焦點位置。這個點用機翼弦的百分比來表示。對于一個 60 英寸弦的 30％位置的壓力中心點即機翼後緣的 18 英寸位置。設計者這樣設計機翼的時候，壓力中心就在飛機的重心，飛機總會平衡。然而，壓力中心的位置随機翼迎角的變化而改變，這樣困難就出現了。

在飛機的正常飛行姿态範圍内，如果迎角增加，壓力中心就向前移動；反之則後移。因為重心固定在一點，很明顯，迎角增加時，升力中心朝重心的前面移動，産生一個擡升機頭的力，或者增加多一點迎角。另一方面，如果迎角減小，升力中心後移，趨向于迎角減小很多。這樣就可以看到，正常的機翼是内在不穩定的，這樣就必須增加一個額外的輔助設備如水平尾翼來維持飛機縱向平衡。

所以飛行中的飛機平衡取決于重心和機翼壓力中心的相對位置。經驗已經表明重心在機翼弦線的 20％附近的飛機可以獲得平衡和滿意的飛行。錐形的機翼表明了翼展範圍内翼弦的多樣性。指定某弦線其平衡點可以被表示開始變得有必要。這個弦即知名的平均空氣動力弦(MAC),通常定義為假設的非錐形機翼的弦，它和被讨論的機翼有相同的壓力中心特性。

飛機的載荷和重量分布也影響重心的位置而産生額外的力，進而影響飛機的平衡。

更多精彩资讯请关注tft每日頭條，我们将持续为您更新最新资讯!