七君

飛機(jī)的地面效應(yīng)

飛機(jī)在降落時(shí)難以著地，起飛時(shí)難以升空，常常要在跑道上“漂浮”一段時(shí)間

大家平時(shí)在搭乘飛機(jī)的時(shí)候，有沒有注意到一個(gè)奇怪的現(xiàn)象，那就是飛機(jī)在降落前，會(huì)在跑道上“耽擱”很長時(shí)間，這是為什么呢？實(shí)際上，這是一種著名的物理現(xiàn)象，并且還被用于制造被稱為“怪物”的軍用飛行器。今天我們就一起來了解一下每位乘客都曾遇到過，但很少有人了解的“地面效應(yīng)”。

據(jù)美國海軍學(xué)院介紹，在起飛和降落時(shí)，飛機(jī)常常要在跑道上“漂浮”很長時(shí)間，這就是地面效應(yīng)的作用。那么地面效應(yīng)是什么原理呢？地面效應(yīng)主要來自阻力的減少和升力的增加。飛機(jī)在飛行時(shí)，遇到的一大阻力來源是機(jī)翼末端的翼尖渦流。根據(jù)美國國家航空航天局介紹，當(dāng)飛機(jī)貼近地面或水面的時(shí)候，翼尖渦流遭到破壞，阻力就會(huì)減少，這種由翼尖渦流破壞帶來的阻力降低被稱為翼展主導(dǎo)的地面效應(yīng)。

接近地面時(shí)，翼尖渦流（圖中圈圈）被破壞，因此阻力下降

此外，飛機(jī)在離地面很近的地方飛行時(shí)會(huì)遇到一個(gè)氣墊，這個(gè)氣墊也被稱為隱形的“上帝之手”，它為飛機(jī)提供了一股強(qiáng)大的升力。這個(gè)貼近地面時(shí)獲得的空氣系技能增強(qiáng)也叫沖壓效應(yīng)。

早在20世紀(jì)20年代，飛行員們就已經(jīng)通過一手的飛行經(jīng)驗(yàn)了解地面效應(yīng)了。1934年，美國國家航空咨詢委員會(huì)（NACA）的一份技術(shù)報(bào)告《Technical Memorandum 771》就指出了地面效應(yīng)對飛機(jī)起飛和降落的影響。

德國巨型飛艇 Dornier DO-X

一些飛行員甚至故意借用地面效應(yīng)戰(zhàn)術(shù)省油低飛。比如，1930年德國巨型飛艇 Dornier DO-X 在飛躍大西洋時(shí)就利用了地面效應(yīng)。而在二戰(zhàn)時(shí)，當(dāng)飛機(jī)沒油或者引擎發(fā)生故障時(shí)，一些飛行員就會(huì)在海面低飛，借助地面效應(yīng)讓飛機(jī)飛得持久一些。

這樣“加血加魔”的誘人物理規(guī)律軍方自然不愿意放過。20世紀(jì)60年代，蘇聯(lián)和德國都在積極研發(fā)利用地面效應(yīng)的飛行器——地效飛行器。1967年，當(dāng)蘇聯(lián)研發(fā)的地效飛行器 Ekranoplan 的原型機(jī)出現(xiàn)在里海時(shí)，美國的情報(bào)部門大受震撼。

當(dāng)美國中央情報(bào)局（CIA）的分析師看到 Ekranoplan 的衛(wèi)星照片時(shí)，搞不清楚它到底是船還是飛機(jī)，因?yàn)樗膰嵨缓痛粯哟?，超過當(dāng)時(shí)已知的任何飛機(jī)，但機(jī)翼又很小，而且還能高速飛行（最高速度為560～740千米/小時(shí)）。因此，他們給這種“元祖”地效飛行器取了個(gè)綽號(hào)——“里海怪物”。里海怪物的優(yōu)勢顯而易見，它可以以飛機(jī)的速度運(yùn)行，載重卻和輪船一樣，因此“里海怪物”地效飛行器也常被稱為“航空母艦的殺手锏”和“突擊登陸的理想工具”。

由蘇聯(lián)研發(fā)制造的地效飛行器 Ekranoplan，常被稱為“里海怪物”

那么，為什么我們現(xiàn)在沒有看到成熟的軍用或民用地效飛行器呢？首先，地面效應(yīng)的優(yōu)勢反過來說也是它的劣勢：地效飛行器只能在貼近地面或水面的高度飛行，這個(gè)高度一般是在機(jī)翼長度的15%以內(nèi)，在遇到障礙物時(shí)地效飛行器不能硬抗，通常只能繞過，很容易因?yàn)榈孛婊蛩娴漠惓Ｍ蛊鸲霈F(xiàn)災(zāi)難。

此外，早在1926年美國國家航空咨詢委員會(huì)（NACA）就在第265號(hào)報(bào)告中指出，地效飛行器的另一大技術(shù)難點(diǎn)在于，一旦飛離地面或水面，地效飛行器很容易莫名“傲嬌昂頭”，也就是縱向穩(wěn)定性比較差，這個(gè)問題直到現(xiàn)在還在困擾著研發(fā)人員。正是這兩個(gè)劣勢限制了地效飛行器應(yīng)用的擴(kuò)散，現(xiàn)在在民用領(lǐng)域只有極少數(shù)地效飛行器在市場上使用。

賽車的地面效應(yīng)

一些賽車底部凸起，形成了文丘里管，制造了一個(gè)低壓區(qū)（紅色部分）

不過，地面效應(yīng)的一個(gè)反向“雙生子”卻早被用在了競技領(lǐng)域。上面說到，飛機(jī)接近地面時(shí)會(huì)難以下降，實(shí)際上如果改變機(jī)翼的造型，卻可能出現(xiàn)被地面吸住的情況。當(dāng)機(jī)翼下部是凸起的形狀，飛機(jī)就有可能被大地“吸住”。

這是因?yàn)?，這時(shí)凸面的機(jī)翼和地面之間形成了文丘里管，由于伯努利定律，此時(shí)機(jī)翼下方會(huì)出現(xiàn)一個(gè)低壓區(qū)。這個(gè)現(xiàn)象碰巧也叫“地面效應(yīng)”，并在20世紀(jì)70年代被F1賽車俱樂部發(fā)掘出來。

我們知道，車輛在轉(zhuǎn)彎時(shí)要降低速度，不然很容易翻車。不過，如果車子能“吸”在地面上，轉(zhuǎn)彎時(shí)就不用減速了。能吸在地面上的賽車可以在過彎時(shí)撇下“抓地力”不強(qiáng)的對手，輕松實(shí)現(xiàn)彎道超車。

20世紀(jì)70年代，蓮花F1車隊(duì)就開始研發(fā)利用賽車下盤文丘里管的加速“皮膚”。從圖片中可以看到，蓮花78賽車底部是凸面，和地面形成了一個(gè)文丘里管，產(chǎn)生了一個(gè)低壓區(qū)，從而被吸在地面上。后來蓮花78的改良升級(jí)版79在1978年拿下了總冠軍。其他車隊(duì)看到后紛紛效仿，F(xiàn)1賽車一時(shí)間演變成了地面效應(yīng)的裝備戰(zhàn)。

不過和飛機(jī)版的地面效應(yīng)類似，賽車的地面效應(yīng)也危機(jī)重重。當(dāng)文丘里管的氣密性被破壞，“抓地力”會(huì)突然松脫而導(dǎo)致車輛失控。比如在1982年的荷蘭大獎(jiǎng)賽時(shí)，著名車手瑞內(nèi)·阿爾努的賽車失控摔向輪胎墻，就是車輛底部的文丘里管失效引發(fā)的。因此在1983年，F(xiàn)1管理機(jī)構(gòu)（FISA）決定限制地面效應(yīng)，規(guī)定各車隊(duì)的底盤必須要平，不得再使用“氪金皮膚”來使賽車得到地面效應(yīng)。

蓮花79和80底部的文丘里管造型

總而言之，這兩個(gè)“接地氣”的地面效應(yīng)雖然都被高端玩家玩出了花，但是也能要人命。

（本文經(jīng)授權(quán)轉(zhuǎn)載自“把科學(xué)帶回家”公眾號(hào)，有刪節(jié)）