风筝、飞机和鸟-中国科学技术大学.ppt

风筝、飞机和鸟演示人：朱 纯 (PB03203185) E-mail: zucn@风筝升空原理•风筝能升空的原理，主要是靠「风」的推力升扬 于空中风筝本身有重量，会往地面降落，它之 能在空中飘浮飞翔，是受空气的力量支撑向上 风筝在空中时，空气会分成上下流层（如下图所 示），此时通过风筝下层的空气受风筝面的阻塞 ，空气的流速减低，由伯努力方程可知，气压升 高，风筝就往上扬，上层的空气流通舒畅，流速 增强，致使气压减低，把风筝吸扬上去，升力即 是由这种气压之差而产生的故飞翔空中的风筝 ，接受空气的升力之外，同时亦受到空气往下压 的压力，此压力即为阻力当升力大于风筝重力 时，风筝才会上升风筝力学描述平衡时受力分析及其力学方程现实条件下的局部放大图现实条件下的局部放大图讨论•放风筝最适宜的风速是3.5到5.5m/s，由上 两副图可看出，此时迎角在25度到30度之 间，如果风速突然增强，要维持平衡，由 受力知，必须要增大T，来减小风筝的迎角 ，使其达到另一个状态下的平衡风筝结构与材料对平衡影响•风筝完全被骨架围住的部分能承受较大的 压力，从而使风筝飞扬但由于空中风向 与风速的不稳定，使其左右摇摆，稳定性 较差。

•遇风时，风筝没有被骨架围住的部分会变 成斜面，把风泄掉，有平衡与稳定的作用 理想流体动力学基本规律•连续性方程：不可压缩流体做定常流动时，满足•伯努力方程：单位体积流体的机械能增量等于 压力差所做的功：飞机的升空原理•根据相对原理：模型飞机在静止的空气中飞 行时所受的空气动力与飞机静止不动，空气 以相同速度流过飞机时，所受的空气动力是 完全一样的所以空气流过机翼时的速度和 压力的变化，也就是机翼以相同速度在空气 中运动时，气流在机翼上的速度和压力的变 化所以在相对机翼静止的参考系中，气流 做自左向右的定常流动•起初，机翼上下气流速度几乎相等不久由于机 翼形状的不对称性和流体粘滞性的影响，下部气 流速度超过上部于是在机翼尾部两股气流汇合 处形成一个逆时针的涡旋，脱离机翼而飘向下游 ，对机翼不起作用由角动量守恒，机翼周围会 因此而形成一个顺时针方向的环流此环流叠加 在原气流上，使机翼上部气流流速增大，下部流 速减小最后机翼周围形成如下图所示的定常气 流，此气流在机翼上部的流速比在下部的大根 据伯努力方程，下部压强会大于上部，此压差即 可形成对机翼的升力在左侧各方程中：环流速度为u机翼远前方气流的速度 和压强可视为常数，分 别设为v和p0机翼上部压强为p1,下部 为p2。

机翼宽为d，长为l飞行过程的力学分析•从F的表达式可知，当l,d或v较大时，F较大 但这是把流体近似为理想流体实际情 况并非如此•高空中气体温度较低，而粘度与温度有密 切关系，对于气体温度越高，粘度越大 从而高空中气体可近似看作理想流体•若飞机速度加快，粘滞阻力与压差阻力均 会增大；同时，由于摩擦生热，飞机周围 流体温度升高，粘度变大，会进一步加大 阻力•l,d增大，而粘滞阻力与压差阻力均与飞机 横截面积成正比因此，上述阻力均会有 所增大•在高空飞行的飞机需要大功率的发动机来 克服不断增大的阻力小结•由上述分析可知，机翼的长宽及其速度的 增加，不但会增大其升力，同时也会增加 其阻力•压差阻力与速度二次方成正比，所以压差 阻力是阻力的主要来源为了减小阻力， 在不改变速度的前提下，应尽量减少气流 漩涡和前部迎流面积；同时要使机身保持 光滑这就是飞机通常呈流线型的本质原 因鸟类的飞行原理 •滑翔时，鸟类翅膀在相对气流的作用下，能产 生升力由于鸟类翅膀具有良好的空气动力学 特性，具有良好的流线形态翅膀前沿圆匀， 后面尖尾，上部凸起，下部微凹当鸟在空中 滑翔时，空气在翅膀上、下部产生压强差，翼 面上部流速变大，压强变小；翼面下部流速不 变或变慢，压强不变或升高，这样,上下翼面 的压强差产生一个向上的升力，把鸟的重量托 住，使鸟不致于像石头一样往下掉。

这就是伯 努力原理在实际中的应用 鸟翅平飞时的飞行剖面鸟翅飘飞时的气动分析•尽管鸟的身体和翅膀具有优秀的流线型形状，但由于空气具有一定的粘性，相对运动的空气流在鸟身上产生一定的阻力是不可避免的，这个阻力将使鸟的飞行速度愈来愈低，直至使气动力减少到不足使鸟停留在空中为了保持飞行速度，产生一定的气动升力，鸟类用三种办法来克服空气阻力•第一种是：用重力势能来变换成飞行的动能鸟类在飘滑下降时，身体及飞行路线向下倾斜，用身体重量在前进方向的分力去克服前进的阻力 在上图中，Ｆ气为鸟翅与空气相对运动产生的升力，Ｆ阻为鸟所受到的空气阻力，Ｐ重为鸟的体重；Ｆ拉为Ｆ气和Ｆ重共同形成的合力，该合力可拉动鸟类向前运动当Ｆ拉等于Ｆ阻时，鸟将匀速飞行；当Ｆ拉大于Ｆ阻时，鸟将加速前进；当Ｆ拉小于Ｆ阻时，鸟将减速飞行鸟类必须不断调整飞行的倾斜角，以改变飞行的速度 •第二种方法是：利用大气中的上升气流 由于太阳对地球及海洋的曝晒，使地面及 海面上的空气受热上升，同时也由于地球 大气的季风作用，大气中经常性的或是阵 发性的，有上升气流存在善于利用上升 气流的鸟类，可以借助这些上升气流的烘 托产生上升力，以少掉高度，不掉高度， 甚至是上升。

•第三种方法是：采用积极主动的扑翼飞行 鸟类扑翼运动是一种生物体特有的高度 复杂的、高效率的运动鸟类扑翼产生推动力示意鸟类扑翼的4个过程 A、开始下扑 B、快速下扑 C、扑至低点 D、弯曲上提•扑翼飞行是一种高效的飞行方式鸟类的翅膀相当于飞机的机翼，但鸟类的翅膀在扑动时，相当于飞机的螺旋浆或喷气推进装置翅膀在气流中运动，所受空气力的大小和方向决定于气流的相对速度和方向要看气流从那一边吹，吹得多快鸟类飞行时，靠近身体的部分翅膀扑动不大，和飞机机翼相似，始终产生一定的举力和阻力，但翅膀外半部就完全不同了，下扑时，翅膀除了向前运动外，还有向下的快速运动也就是说，合气流来自下前方（如上图所示）， 所产生的空气动力Ｆ气是向前倾的，它的水平分力Ｆ１是一种向前的拉力，垂直分力Ｆ２为升力，与鸟的体重相等翅膀上举时，气流来自上前方，为减少阻力起见，鸟类把翼尖放松，下垂，使翅膀上举时，整个翅膀弯曲成一楔形，所形成的负升力为最小，总结起来，鸟的扑翼动作可以分解为四个步骤：A.弯曲慢速上提；B.外伸向下扑打；C.快速向下扇打空气；D.扑打至最低处， 向翅根处缩入 •在长期的演化中，鸟的翅膀的羽毛极适合于飞翔的需要。

鸟类在扑动过程中不断改变自身羽毛的排列形式，同时，整个翅膀的形状和位置也在变化，往下扑动时，大羽毛彼此并紧使整个翅膀成为一张上下表面基本不通气的翼面这样可以得到较大的上下表面压强差，上表面为负压，下表面为正压而当翅膀向上抬起时，整个翅膀向内弯曲，大羽毛排列松开，上、下翼面之间出现了许多通气的缝，作用在翼面上的阻力就小多了 总结•相同点 – 大体来说，风筝、飞机和鸟的升力产生的原理 是相同的它们都是由于上下两侧气流的流速 不同造成压力差来实现上升的 – 所受阻力相同，都为粘滞阻力与压差阻力 – 飞机和鸟都是通过流线型外表来减少飞行时所 受到的主要阻力，即压差阻力 – 由于风筝和鸟的重量较小，它们还要借助重要 的外力，即上升气流来实现上升总结•不同点 – 上升条件不同风筝必须在有风条件下才能实 现上升，而飞机与鸟则不然其主要原因是飞 机与鸟能自身产生动力，从而获得与气流的相 对速度造成压差– 克服阻力的方式不同风筝靠提线拉力的分力 来克服阻力，飞机靠的是发动机的推力，而鸟 则是靠扑翼运动来获得向前的动力~End~。