飞机飞行原理-航铁集团

我们常常看到巨大的飞机在空中翱翔，看似反直觉，但其实它遵循着非常经典的物理学原理。最核心的原理可以概括为以下四点，其中前两点最为关键：

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核心原理：伯努利定律与牛顿定律的结合

简单来说，飞机飞起来是靠 “翅膀”（机翼）产生一个向上的力，来克服自身的重力。这个向上的力就是升力。

1. 升力的产生 - 伯努利定律的贡献

这是解释升力最常用也最直观的方式。

· 机翼的形状是关键：飞机的机翼并不是一个平板，它的剖面叫做翼型。这种形状的特点是：上表面更弯曲，下表面相对平坦。
· 空气的“赛跑”：当飞机在跑道上加速，空气流经机翼时，会被分成上下两股。为了同时到达机翼的后缘，流过弯曲上表面的空气必须走更长的距离，因此流速更快。
· 伯努利定律登场：该定律指出，在流体中（空气就是一种流体），流速快的地方，压强就小；流速慢的地方，压强就大。
· 机翼上表面：空气流速快 → 压强小
· 机翼下表面：空气流速慢 → 压强大
· 结果是升力：于是，机翼下表面的高压空气向上“顶”，而上表面的低压空气向下“吸”，这一“顶”一“吸”共同作用，就产生了强大的向上升力。

https://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/thumb/e/e5/Bernoulli%27s_Law_na_F16_%28404%29.jpg/640px-Bernoulli%27s_Law_na_F16_%28404%29.jpg
(图示：机翼上下表面的压力差产生了升力)

重要提示：现代升力理论是更复杂的“库塔-茹科夫斯基定理”和“涡流理论”，它考虑了机翼的攻角（机翼与气流的夹角）和空气的粘性。攻角增大也能显著增加升力，但过大就会导致失速。

2. 推进力 - 牛顿第三定律

光有升力还不够，飞机需要向前运动才能让空气流过机翼。

· 作用与反作用：牛顿第三定律说：每一个作用力，都会产生一个大小相等、方向相反的反作用力。
· 发动机的工作：飞机的发动机（喷气式或螺旋桨）吸入大量空气，然后猛烈地向后加速喷射/推送出去。这是“作用力”。
· 飞机的反应：根据牛顿定律，空气就给飞机一个大小相等、方向相反的向前推力，这就是推进力。

https://www.grc.nasa.gov/www/k-12/airplane/Images/jetprop.gif
(图示：发动机向后喷气，产生向前的推力)

3. 阻力 - 前进的障碍

当飞机在空中运动时，空气会对它产生一个阻碍运动的力，这就是阻力。阻力主要来自空气的摩擦和压差。飞机的流线型设计就是为了尽可能地减小阻力。

推进力的作用就是克服阻力，使飞机能持续前进。

4. 重力 - 需要被克服的对象

地球的引力将飞机向下拉，这就是重力。升力的目标就是克服重力，使飞机能够升起并保持在空中。

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四大力量的平衡与操控

一架稳定飞行的飞机，是这四种力达到平衡的状态：
升力 = 重力
推进力 = 阻力

飞行员通过操纵操纵面来打破这种平衡，实现各种动作：

· 爬升：增大推力（推进力 > 阻力）并拉杆抬起机头（增大攻角），使升力 > 重力。
· 下降：减小推力（推进力 < 阻力）并推杆降低机头（减小攻角），使升力 < 重力。
· 转弯：操纵副翼使飞机倾斜，将一部分升力转化为向心力，从而实现转弯。

总结

您可以这样形象地理解：

1. 发动机负责向前推（产生推进力）。
2. 机翼负责向上顶（利用伯努利原理产生升力）。
3. 当向前推的速度足够快，使得向上顶的力大于飞机重量时，飞机就离开地面，飞起来了！

所以，飞机飞行是一个巧妙运用空气动力学和经典物理学的完美范例。