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        淺談紙飛機背后的空氣動力學原理及應用

        2021-08-05 15:27:24李約黃晨璐
        速讀·上旬 2021年9期
        關鍵詞:開發(fā)

        李約 黃晨璐

        ◆摘? 要:通過對紙飛機的研究,我們可以得出好多有趣的結論,可以應用在工業(yè)開發(fā)上。

        ◆關鍵詞:康達效應;工業(yè);開發(fā)

        近年來我國空氣動力學蓬勃發(fā)展,制造出了國產(chǎn)大飛機C919等,令人矚目的科技成就。筆者決心順應時代潮流為國家做出貢獻,于是從日常生活中的小現(xiàn)象開始探究,以期可以為我國工業(yè)發(fā)展做出貢獻。

        通過筆者的實驗,在紙飛機飛行過程中,發(fā)現(xiàn)了許多空氣動力學經(jīng)典現(xiàn)象,其中部分現(xiàn)象或許可以運用在工業(yè)中。

        一、實驗數(shù)據(jù)的陳列以及初步分析結論

        在寫作本文時筆者做了幾方面的實驗,下文中將逐一說明,另本實驗數(shù)據(jù)均是經(jīng)過多次實驗取平均值得出,本段只是初步分析結論,并不分析原理。

        第一個實驗是關于紙飛機水平位移與發(fā)射角度的關系。

        通過對實驗數(shù)據(jù)的分析,我們可以非常清晰的看到水平位移隨角度的變大先增大后減小,在約12°左右達到最大值。

        第二個實驗是關于紙飛機最高位移和發(fā)射角度的關系。

        實驗中可以看出最高位移與發(fā)射角度依舊呈發(fā)射角度增大,最高位移先增大后減小的關系 ,且30°左右達到最高值。

        第三個實驗是滑翔率與發(fā)射角度的關系。

        本次實驗中,干擾因素較多,難以做出理想狀態(tài),但任可以得出些許初步結論,將在后文中分析。

        最后一個實驗數(shù)據(jù)難以測量,于是沒有記錄,但通過觀察發(fā)現(xiàn)了些現(xiàn)象,筆者發(fā)現(xiàn)在實驗過程中,在發(fā)射力度相同時,使用機翼大小不同的飛機,速度不同,且大致為機翼越小速度越快,機翼越大速度越慢。由于飛機使用相同紙質,且用量相同。可認為質量相同,排除質量干擾。于是使用相同紙質,不同張數(shù)及折疊方法,但基本上任保持外形相同。發(fā)現(xiàn)舉升面重力占整體重力比例越大,飛機飛的更慢,但與之相對的是飛的更加穩(wěn)定。

        二、實驗結論分析及原理推測

        在第一個實驗中,水平位移與發(fā)射角度之間的關系,我們可以看到水平位移隨發(fā)射角度增大先增大后減小。在12°到達最大值。通過高中物理中斜拋運動相似模型分析,理論上如果忽略空氣阻力,視紙飛機為質點。水平位移確實應該是先增大后減小,但理論上應該是45度的時候達到水平位移最大值。但是本試驗經(jīng)多次測量,卻是在12°時達到最大值。這顯然是加入了空氣阻力影響。通過我們在空氣動力學中康達效應的學習(康達效應(Coanda Effect)亦稱附壁作用或柯恩達效應。流體(水流或氣流)有偏離原本流動方向,改為隨著凸出的物體表面流動的傾向。當流體與它流過的物體表面之間存在表面摩擦時(也可以說是流體粘性),只要曲率不大,流體就會順著該物體表面流動)我們知道流體會附著在曲面表面上進行運動,機翼帶有弧度,這個弧度,會使飛行器獲得升力

        根據(jù)牛頓第三定律分析可知,當飛機給空氣一個向下的力時,空氣將會給飛機一個向上的升力。

        而在本實驗中,在角度較小時與上述模型相似,而角度增大到12度以上時,上述模型將不再適用,轉而變?yōu)橐韵履P汀?/p>

        在此模型中,我們可以觀察到當空氣流過機翼上表面時,由于偏轉角度過大,流體將無法繼續(xù)沿著機翼表面進行運動,于是會在機翼后方形成一個小的氣旋。機翼隨之失去升力,所以我們觀測到在12到15度以后,飛機水平位移急速下降,在實驗錄像中,這現(xiàn)象尤為明顯,基本飛出以后機頭就會快速向地下落。

        在第二個實驗當中,隨著發(fā)射角度的增大,最高位移先增大后減小。理論上若是忽略空氣阻力等因素的影響,在相同速度發(fā)射時,90°發(fā)射上升高度應為最高,但是在實驗當中發(fā)現(xiàn)30°卻是上升最高。關于這點筆者進行邏輯分析,并通過觀看實驗錄像,初步確定原因。首先在0°~30°時,隨著機頭角度的抬升,迎風面水平投影面積增大,使升力增大(升力=1/2*空氣密度*速度的平方*機翼面積*機翼升力系數(shù))自然飛得更高。

        在30度以后,已經(jīng)是機翼背面迎風,升力減小。同時機翼上表面,被來自后方的風吹到,機頭會被向下壓 ,導致爬升高度降低。此現(xiàn)象在接近90度尤為嚴重,基本上升一小段距離機頭就會被下壓。

        第三個實驗中,我們可以看到滑翔率隨著發(fā)射角度的升高,波動下降。筆者經(jīng)過邏輯分析,認為原因應該是翼尖機翼下表面處空氣能繞過翼尖逃逸到上表面。從而降低翼尖處上下表面壓力差,減小了升力。另,從前方看翼尖的空氣的沿環(huán)形軌道運動,形成一個渦,相當于向下推機翼,導致滑翔率降低,且上述現(xiàn)象隨發(fā)射角度增大變嚴重。

        最后一個實驗,筆者才疏學淺,暫時無法解釋,只能找到規(guī)律,無法說明原理。

        以上原理分析,均是筆者通過實驗數(shù)據(jù),以及合理邏輯分析。推導出來的,若有缺漏或錯誤,歡迎指正。

        三、關于實驗結論工業(yè)應用以及生活應用設想

        通過本實驗,筆者發(fā)現(xiàn)在汽車工業(yè)中我們可以通過減少擋風玻璃和水平面的夾角來減小風阻,加快汽車速度。在飛機工業(yè)中,我們可以對戰(zhàn)斗機機翼進行改小,從而提高其飛行的速度,增加機動性。

        在創(chuàng)作過程中,非常感謝陳平老師對筆者的指導,外出實驗的經(jīng)歷也讓筆者受益良多,鍛煉了筆者的思維能力以及實際操作能力。

        指導老師:陳平

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