升力,就是向上的力。使你上升的力。有很多種了。一般都是說在空氣中。也就是向上的力大于向下的力,其合力可以使物體上升。這個(gè)力就是升力。升力的成因較復(fù)雜,因?yàn)橐紤]實(shí)際流體的粘性、可壓縮性等諸多條件。目前大多用的是庫塔儒可夫斯基定理,它是工程師計(jì)算飛機(jī)升力最精確的方法。具體內(nèi)容就是由繞翼環(huán)流導(dǎo)致升力,產(chǎn)生了上下壓力差,這個(gè)壓力差就是升力 (Y),升力和向后的誘導(dǎo)阻力(d)合成為空氣動力學(xué)(R)。流過各個(gè)剖面升力總合就是機(jī)翼的升力。升力維持飛機(jī)在空中飛行。
升力的來源
升力來源于機(jī)翼上下表面氣流的速度差導(dǎo)致的氣壓差。但機(jī)翼上下表面速度差的成因解釋較為復(fù)雜,通常科普用的等時(shí)間論和流體連續(xù)性理論均不能完整解釋速度差的成因。航空界常用二維機(jī)翼理論,主要依靠庫塔條件、繞翼環(huán)量、庫塔-茹可夫斯基定理和伯努利定理來解釋。
庫塔條件
在真實(shí)且可產(chǎn)生升力的機(jī)翼中,氣流總是在后緣處交匯,否則在機(jī)翼后緣將會產(chǎn)生一個(gè)氣流速度很大的點(diǎn)。這一條件被稱為庫塔條件,只有滿足該條件,機(jī)翼才可能產(chǎn)生升力。
在理想氣體中或機(jī)翼剛開始運(yùn)動的時(shí)候,這一條件并不滿足,粘性邊界層沒有形成。通常翼型(機(jī)翼橫截面)都是上方距離比下方長,剛開始在沒有環(huán)流的情況下上下表面氣流流速相同,導(dǎo)致下方氣流到達(dá)后緣點(diǎn)時(shí)上方氣流還沒到后緣,后駐點(diǎn)位于翼型上方某點(diǎn),下方氣流就必定要繞過尖后緣與上方氣流匯合。由于流體粘性(即康達(dá)效應(yīng)),下方氣流繞過后緣時(shí)會形成一個(gè)低壓旋渦,導(dǎo)致后緣存在很大的逆壓梯度。隨即,這個(gè)旋渦就會被來流沖跑,這個(gè)渦就叫做起動渦。根據(jù)海姆霍茲旋渦守恒定律(開爾文定律),對于理想不可壓縮流體(位勢流)在有勢力的作用下翼型周圍也會存在一個(gè)與起動渦強(qiáng)度相等方向相反的渦,叫做環(huán)流,或是繞翼環(huán)量。
環(huán)流是從翼型上表面前緣流向下表面前緣的,所以環(huán)流加上來流就導(dǎo)致后駐點(diǎn)最終后移到機(jī)翼后緣,從而滿足庫塔條件。
升力對長度有限的實(shí)際機(jī)翼,繞翼環(huán)量在翼尖處折轉(zhuǎn)90度向后,形成尾渦。尾渦可在各型飛機(jī)的機(jī)翼外側(cè)后方直接觀察到,這是對繞翼環(huán)量最直接的實(shí)際觀測。
庫塔茹可夫斯基方程式
由滿足庫塔條件所產(chǎn)生的繞翼環(huán)量導(dǎo)致了機(jī)翼上表面氣流向后加速,由伯努利定理可推導(dǎo)出壓力差并計(jì)算出升力,這一環(huán)量最終產(chǎn)生的升力大小亦可由庫塔-茹可夫斯基方程計(jì)算(適用于不可壓縮流體):
物體單位長度上所受到的升力:
其中環(huán)量是流體的速度沿著一條閉曲線的路徑積分。如果v是流體的速度,ds是沿著閉曲線C的單位向量,那么:
環(huán)量的量綱是長度的平方除以時(shí)間。
這一方程同樣可以計(jì)算馬格努斯效應(yīng)的氣動力。
不過以上理論僅適用于亞音速(更準(zhǔn)確地說是Ma小于0.3),在超聲速飛行時(shí)由于空氣是可壓縮的,伯努利定理不成立,此時(shí)無環(huán)流運(yùn)動,升力主要靠機(jī)翼上下表面的激波所導(dǎo)致的壓力差。當(dāng)飛機(jī)以一定迎角在超聲速流中飛行時(shí)上表面前端處與來流成一個(gè)凸面,形成膨脹波,氣流流過膨脹波時(shí)壓力下降,而下表面與來流形成一個(gè)凹面,導(dǎo)致激波,氣流流過激波時(shí)壓力增加。因此上表面壓強(qiáng)小,下表面壓強(qiáng)大,產(chǎn)生升力。
升力三大經(jīng)典錯(cuò)誤理論
一、等時(shí)間論:當(dāng)氣流經(jīng)過機(jī)翼上表面和下表面時(shí),由于上表面路程比下表面長,則氣流要在相同時(shí)間內(nèi)通過上下表面,根據(jù)運(yùn)動學(xué)基本公式S=VT,上表面流速比下表面大,再根據(jù)伯努利定理(不可壓、理想流體沿流管作定常流動時(shí),流動速度增加,流體的靜壓將減??;反之,流動速度減小,流體的靜壓將增加。),從而產(chǎn)生壓力差,形成升力。
錯(cuò)誤:此理論經(jīng)常被用于各大中學(xué)物理教科書,但這個(gè)解釋實(shí)際不嚴(yán)謹(jǐn)?shù)?,從根本上沒有解釋清楚流體加速的原因,甚至違背了基本的牛頓定律。根據(jù)牛頓第二運(yùn)動定律,一個(gè)物體要加速或者減速必定會受到合外力的的影響,而不僅是靠路程長短就能導(dǎo)致速度差的。
二、連續(xù)性理論(流管理論、壓縮論、流體的質(zhì)量守恒論):當(dāng)氣流流過上下表面時(shí),由于上表面凸起,導(dǎo)致上方流管(線)壓縮,而下方較平坦,流管(線)舒張,根據(jù)流體的連續(xù)性定理:當(dāng)流體連續(xù)不斷而穩(wěn)定地流過一個(gè)粗細(xì)不等的管道時(shí),由于管道中任何一部分的流體都不能中斷或擠壓起來,因此在同一時(shí)間內(nèi),流進(jìn)任一切面的流體的質(zhì)量和從另一切面流出的流體質(zhì)量是相等的(Q=VS),導(dǎo)致上表面流速大于下表面流速,再根據(jù)伯努利定理,產(chǎn)生升力。
錯(cuò)誤:此理論只能在二維環(huán)境中成立,真實(shí)的機(jī)翼周圍有大量氣流被影響,流管不會被壓縮。
三、下洗氣流論:機(jī)翼通過改變氣流流向使其向下偏轉(zhuǎn)而同時(shí)產(chǎn)生反作用力來提供升力。這一部分升力確實(shí)存在,稱為“撞擊升力”,但比重占整個(gè)機(jī)翼產(chǎn)生的升力的比重相當(dāng)小。而且機(jī)翼上下氣流的速度差和壓力差均是實(shí)際存在并可以測量的。但是目前絕大多數(shù)主流客機(jī)(如常見的空中客車公司波音公司)都是采用“超臨界翼型”,這種翼型恰恰相反,更多的是靠機(jī)翼后緣向下彎曲產(chǎn)生下洗流以提供升力。
升力應(yīng)用
飛機(jī)的升力絕大部分是由機(jī)翼產(chǎn)生,尾翼通常產(chǎn)生負(fù)升力,飛機(jī)其他部分產(chǎn)生的升力很小,一般不考慮。升力的原理就是因?yàn)槔@翼環(huán)量(附著渦)的存在導(dǎo)致機(jī)翼上下表面流速不同壓力不同,方向垂直于相對氣流。
機(jī)翼升力的產(chǎn)生主要靠上表面吸力的作用,而不是靠下表面正壓力的作用,一般機(jī)翼上表面形成的吸力占總升力的60-80%左右,下表面的正壓形成的升力只占總升力的20-40%左右。所以不能認(rèn)為:飛機(jī)被支托在空中,主要是空氣從機(jī)翼下面沖擊機(jī)翼的結(jié)果。
飛機(jī)飛行在空氣中會有各種阻力,阻力是與飛機(jī)運(yùn)動方向相反的空氣動力學(xué),它阻礙飛機(jī)的前進(jìn),這里我們也需要對它有所了解。按阻力產(chǎn)生的原因可分為摩擦阻力、壓差阻力、誘導(dǎo)阻力和干擾阻力。
四種阻力是對低速飛機(jī)而言,至于高速飛機(jī),除了也有這些阻力外,還會產(chǎn)生波阻等其他阻力。
升力阻力
升力和阻力是飛機(jī)在空氣之間的相對運(yùn)動中(相對氣流)中產(chǎn)生的。影響升力和阻力的基本因素有:機(jī)翼在氣流中的相對位置(迎角)、氣流的速度和空氣密度以及飛機(jī)本身的特點(diǎn)(飛機(jī)表面質(zhì)量、機(jī)翼形狀、機(jī)翼面積、是否使用襟翼和前緣翼縫是否張開等)。
1.迎角對升力和阻力的影響——相對氣流方向與翼弦所夾的角度叫迎角。在飛行速度等其它條件相同的情況下,得到最大升力的迎角,叫做臨界迎角。在小于臨界迎角范圍內(nèi)增大迎角,升力增大:超過臨界迎角后,再增大迎角,升力反而減小。迎角增大,阻力也越大,迎角越大,阻力增加越多:超過臨界迎角,阻力急劇增大。
2.飛行速度和空氣密度對升力阻力的影響——飛行速度越大升力、阻力越大。升力和阻力與飛行速度的平方成正比例,即速度增大到原來的兩倍,升力和阻力增大到原來的四倍;速度增大到原來的三倍,升力和阻力也會增大到原來的九倍??諝饷芏却螅?a href="/hebeideji/3662071157378277604.html">空氣動力學(xué)大,升力和阻力自然也大??諝饷芏仍龃鬄樵瓉淼膬杀?,升力和阻力也增大為原來的兩倍,即升力和阻力與空氣密度成正比例。
3,機(jī)翼面積,形狀和表面質(zhì)量對升力、阻力的影響——機(jī)翼面積大,升力大,阻力也大。升力和阻力都與機(jī)翼面積的大小成正比例。機(jī)翼形狀對升力、阻力有很大影響,從機(jī)翼切面形狀的相對厚度、最大厚度位置、機(jī)翼平面形狀、襟翼和前緣翼縫的位置到機(jī)翼結(jié)冰都對升力、阻力影響較大。還有飛機(jī)表面光滑與否對摩擦阻力也會有影響,飛機(jī)表面相對光滑,阻力相對也會較小,反之則大。
空中飛行速度和空氣密度大小對升力的影響
(一)飛行速度
飛行速度越大,空氣動力學(xué)(升力、阻力)越大。實(shí)驗(yàn)證明:速度增大到原來的兩倍,升力和阻力增大到原來的四倍;速度增大到原來的三倍,升力和阻力增大到原來的九倍。即升力、阻力與飛行速度的平方成正比例。
飛行速度增大,為什么升、阻力會隨之增大呢?飛行速度愈大,機(jī)翼上表面的氣流速度將增大得愈多,壓力降低愈多。與此同時(shí),機(jī)翼下表面的氣流速度減小得愈多,壓力也增大愈多。于是,機(jī)翼上、下表面的壓力差愈加相應(yīng)增大,升力和阻力也更加相應(yīng)增大。另外也可以從其公式中看出:升力公式、阻力公式
(二)空氣密度
空氣密度大,空氣動力學(xué)大,升力和阻力自然也大。這是因?yàn)?,空氣密度增大,則當(dāng)空氣流過機(jī)翼,速度發(fā)生變化時(shí),動壓變化也大,作用在機(jī)翼上表面的吸力和下表面的正壓力也都增大。所以,機(jī)翼的升力和阻力隨空氣密度的增大而增大。
實(shí)驗(yàn)證實(shí),空氣密度增大為原來的兩倍,升力和阻力也增大為原來的兩倍。即升力和阻力與空氣密度成正比例。顯然,由于高度升高,空氣密度減小,升力和阻力也就會減小。
參考資料 >