03.03 飞机为什么可以飞起来?原理是怎样的?

黄华南同学


很多人认为,飞机是靠飞机发动机的推力把飞机推上天的,其实这样的回答只正确了一半。飞机飞行的确离不开发动机的动力,但是发动机提供的推力是不足以把飞机抬起来的。以目前最大的民航客机波音777-300ER,它搭载的两台发动机GE90-115b,是目前世界上推力最大的商用发动机,单台最大推力可以达到500千牛,也就是50吨的力,两台发动机加在一起的总推力可以达到100多吨,力量的确惊人,但是要知道波音777-300ER最大起飞重量可以达到350吨,两台发动机加在一起的最大总推力其实还不及飞机最大重量的30%。

飞机之所以能飞起来,归根结底来自机翼提供的升力,固定翼飞机如此,旋转翼飞机也是一样的道理。至于升力的产生原理,这个就牵涉到大学里的一门比较难懂的课程《流体力学》中的一个知识——伯努利原理。

伯努利原理的实质是流体的机械能守恒,或者用公式来表达就是流体的动能、重力势能与压力势能之和为常数。用这个原理我们可以推论出流体流速非常快时,压强就会变得很小;相反的,流速慢时,压强相对较大。用这条推论就可以解释为什么飞机机翼会产生升力。

机翼的截面其实是一个不规则形状,机翼上方略微凸起,下方则相对扁平,如下图。飞机发动机启动后,推动飞机向前运动,于是机翼和空气产生了相对运动,或者说对空气进行了切割运动。由于机翼上缘弧线较长,下缘弧线较短。因而根据上面这个推论,我们就知道流过机翼上表面的空气流流速较快,压强较小;流过机翼下表面的空气流流速较慢,压强较大,上下表面就产生了压强差,并且机翼下方压强大于上方压强,于是产生了向上的合力,这个合力就是升力。并且升力的大小和机翼面积成正比,和空气的流速的平方成正比,也就是说空气流速加快,升力的大小是以速度平方的倍数增长的。

飞机静止的时候,流过机翼表面的速度为0,此时飞机的升力也为0。当飞行员启动飞机发动机,飞机开始向前运动,机翼切割空气产生相对气流,此时机翼开始产生升力,并且升力随着飞机滑跑速度的增大而快速增大。直到某一时刻,飞机的升力等于飞机自身的重力的时候,飞行员拉杆使飞机抬头,飞机便可以上天了。

直升飞机起飞原理也是如此,直升飞机的机翼截面形状和固定翼飞机截面形状相似,也是上方略微凸起,下方则相对扁平。只不过直升机机翼不同于固定翼飞机的机翼,他们是通过旋转运动来切割气流的。发动机启动后,机翼开始旋转,机翼与空气产生相对运动,于是就产生升力了。

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熊猫爱飞行


看到很多人说伯努利原理:

机翼上沿和下沿之间,由于空气的流速不一样,产生了一个压强差,进而产生一个向上的升力。这是飞机起飞的原理的最常见的解释。但是实际上,这个力是存在的,但并不是起主导作用的因素。

为什么这么说呢?如果只看伯努利原理,那么升力产生的方向一定是垂直于机翼,指向机翼的上方的。而当飞机上下颠倒的时候,则机翼的受力就会指向下方,飞机也就无法继续飞了。然而实际上,飞机是可以倒飞的:

飞行表演中一正一倒飞在一起的两架飞机。

如果只考虑伯努利原理,那上面那一架飞机妥妥的早就该掉下来,顺便把下面一架也砸下来了。但是人家还好好飞着呢。

而且实际上,飞机机翼的上沿和下沿,其长度未必有很大差别:

图中是一种典型的商用飞机的机翼截面。

那飞机飞起来,到底是为什么呢?飞机升力的主要来源,其实并不完全是伯努利原理带来的压强差。伯努利原理带来的升力,在低速(200-300km/h)的情况下,可以说很重要。但是在高速情况下,就没有那么关键了。


在航空航天的领域,有一句俗语说得好:只要动力给的足,板砖都能飞上天。

只要向前的动力给的足,让机翼有一点点仰角(攻角),前方的气体就能给机翼一个很大的压力,从而让飞机获得升力。牛顿第三定律,是升力的另一个来源。

当然,不论是伯努利原理还是牛顿第三定律,都是对飞机原理的极大简化。流体是复杂的,有黏度、连续性等等一系列并不“理想”的性质,因此描述起来也很复杂。

常用来描述飞机机翼的流体力学特性的N-S方程。这里不做详解,感兴趣的可以去找教科书读一读,不感兴趣的也可以感受一下有多复杂。

最后,向给人类社会插上翅膀的航空航天工程师们致敬~


IvanZhu


虽然不是航空专业的,但这个问题我还是知道一点点,如果不好,建议百度。飞机分好多种,靠自身动力系统的有两种,一种是固定翼飞机,如民航客机,战斗机等;一种是旋转翼飞机,如直升机。不靠自身动力的主要是航天飞机。飞机能上天,主要是上升力大于自身重力,根据牛顿定律,(上升力-飞机重力)÷飞机质量=飞机获得的加速度,加速度在时间的平方上会产生距离,飞机逐渐远离地面飞了起来,但是不能无限上升,根据万有引力和开普勒定律,那需要达到一定的速度才行。1,不同的飞机上升力的方式不同,比如航天飞机,自身只有上天有,还得靠火箭,返回地面,靠的是第一宇宙速度进入大气和机翼在空气中的滑行,来产生上升力飞行。2,自身动力固定翼飞机,和航天飞机返回时一样,靠机翼在空气中滑行来提供上升力。空气是由无数细小分子组成的,这些分子不规则的向四面八方运动着,当机翼以一定的速度切割这团空气时,这些分子就与机翼有了相对的速度,一起向机翼的相反方向移动,但他们不甘心做这种运动,还想往四面八方跑,这时,就对机翼速度的垂直方向,产生了一个集体的朝向机翼的运动,由于机翼的设计,使机翼上面的空气与机翼的相对速度快,要改变这种状态有点难,向下的力就小的;而机翼下面的速度慢,要改变这种状态很容易,向上的力就大,就产生了一个向上举机翼的力,飞机就飞起来了。3,自身动力旋转翼飞机,和电风扇原理类似,只是相反的向下产生推力,使飞机上升。可能说的不是很清楚,还是建议百度。


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要知道飞机为什么可以飞起来,得先了解伯努利定理。

伯努利定理由“流体力学之父”伯努利于1783年提出,内容是:在流体(气体、液体)中,流体的流动速度越大,压力越小。

怎么理解呢?我们不妨来做一个小实验。左右两手各拿一张纸,把纸的侧面(即只能看到一条线的一面)朝向自己放在嘴前,用力往两张纸的中间吹口气,我们会发现两张纸并没有被吹开,反而被吹得贴在了一起。这是因为在我们吹气时,两张纸中间气体的流动速度大于纸的外侧(其实外侧气体的流动速度为0),根据伯努利定理,中间的压力小于外侧的压力,于是纸就被外侧的气体压得贴在了一起。

飞机就是凭借伯努利定理而飞起来的。仔细观察一下机翼,我们会发现机翼上下两侧的形状是不一样的,上侧的形状有明显的凸起,而下侧却几乎是平的。这会导致什么现象呢?让我们一起来分析一下。

当飞机开始滑行时,机翼上下两侧的空气在相同的时间内都从机翼前端流动到了末端,由于两侧的形状不一样,上侧空气流过的路程大于下侧,导致上侧的压力小于下侧,对机翼来说就相当于受到了一个向上的力,也就是升力。而且,随着飞机速度的增加,机翼两侧的压强差也越大,升力也就越大,当速度块到一定程度的时候,升力就会大于重力,这样,飞机就飞起来了。

川陀太空

20170618


深空电报


看了很多回答,大部分都有问题,很明显不是学航空的。很多人搞不清术语。

学航空的都明白,但是通俗、明白说出来,确实不容易。因为学过航空的人是不会注重为什么飞起来这个问题的。

升力和迎角有很大关系。在迎角为零的时候,机翼的剖面形状很重要。剖面形状叫翼型。在亚音速和低速时,机翼前缘是比较厚的钝形,后缘是比较细的尖锐形状。这种形状叫流线型。



气体在低速流动时可以平滑流过物体表面。流线型可以确保流过机翼后不产生湍流,减小阻力。平板正对着风时,阻力很大,因为平板后面的空气是混乱的涡流状态。球体的涡流就小很多。



按照伯努利方程要把空气看做理想流体,不可压缩,没有粘性。在低速的时候非常接近。



机翼上面的流线比较密集,压强小,上下翼面的压差就是升力的来源。


如果迎角过大,机翼后部气流发生分离 产生紊流,压差消失,就没有升力。没有升力就是失速。所以飞机飞行时不能迎角过大。边条翼在大迎角时产生的涡流克服了气流分离,避免了失速产生。

不同的翼型产生升力的效果不一样。有些比较弯曲的、厚度比较大的适合低速飞行。高速飞行就需要弯度比较小的、厚度比较小时翼型,以降低阻力。


飞机能飞起来很简单。平板也能飞起来,只要有合适的迎角。比如风筝。


一叶枫流O灵似舞妖


从原理到应用。

飞机要想飞,就靠伯努利。(特指固定翼飞机)

伯努利定理:在一个流体系统中,截面积(水管)减小,责流速增加,压力减小。反之,截面积增大,流速减小,压力增大

升力的产生:机翼上下表面的凸起程度是不同的,这就导致下翼面流速小,压力大;上翼面流速大,压力小。气流总是会向压力低的方向流动,也就是说,是机翼下方的气流把飞机抬了起来。

图为机翼的外载荷示意图

发动机的作用:发动机首先是推动飞机,使气流流过机翼,从而产生升力。所以说发动机非但不直接产生升力,反而产生很大阻力,但是对于升力产生至关重要,也是飞机空中增减速的最主要部件。

结束


NegativeDue


飞机极为常见,当今社会不知飞机的人可能是凤毛麟角。

然而真正知道飞机飞行原理的人同样是凤毛麟角。其实,只要你有1%的灵光就能清楚地明白飞机的飞行原理,无论你是谁。如果你愿意,我可以尽力让你弄明白飞机是怎么飞起来的。

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小学生会说:

如果你手里拿着一张硬纸板之类的东西,并略微向上倾斜,然后快速奔跑或原地转圈,你会发现硬纸板好像有一个向上的力,不信你自己试试……

初中生会说:流体流速大,压强小。流速小则反之。不信你看看初中物理书……

你看了可能会说:可能与以上两种情况都有关。顺便问一句流体压强与流速的关系是什么鬼。

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下面我们将正式进入话题。

飞机如果能飞,必须要受到升力的作用。换句话说,想知道飞机怎么飞起来必须了解升力。

我们知道,飞机升力的产生主要功归于机翼。从侧面看,机翼上、下表面并不对称。而且机翼上表面有弧度(略微向上隆起),下表面则没有。飞机在飞行时机翼把流经它的空气切成上、下两部分,上、下表面空气从机翼前端(专业一点叫前缘)流经机翼表面最后又在后端(后缘)汇聚。此时,由于机翼上表面有弧度,下表面没有,所以上表面比下表面更长。因为上下表面气流流经机翼时所用时间相同,可以由小学公式s=vt推出上表面气流比下表面气流流速大。这些都很好理解。重点是下面。

根据伯努利方程 (p0=p1+1/2pv^2^),可知任何面上的流体流速越大,对这个面的压强越小。因为方程中p0代表总压,p1代表静压(是个常数,不用管,当没看见),1/2pv^2^代表动压。所以,总压=静压+动压。而动压中,p代表流体密度,v代表流体速度。当p1,p都不变时,v越大,p0越大。反之则越小。现在,你可知道流速大压强小流速小压强大的原理了吧。

那么,知道这么多有什么用呢?我们之前已经知道机翼上表面流速比下表面大,所以上表面压强比下表面小,于是机翼上下表面产生压强差,向上的升力形成!飞机就是这样飞起来的。

压强差是升力形成的重要原因,但除此之外还有其他原因(超好理解的原因)。就像前文小学生说的那样,硬纸板会受到向上的力。这是因为力的反作用力。根据牛顿第三定律,任何一个力都有一个与之大小相等,方向相反的反作用力,机翼对空气施加一个向下的力,空气也会对之施加一个向上的力,这个力也成了升力的一部分。飞机机翼与来流的方向是存在夹角的也就是说机翼微微往上倾斜,这个夹角叫安装角。

所以,伯努利定理和牛三定律每天掌管着成千上万旅客的生命。

怎么样,够神奇了吧?

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如果这是你第一次了解升力,读完以上内容并能理解就已经很不错了。如果你早已熟知这些原理,那么很抱歉刚才占用你很多时间。接下来,我们将真正进入航空世界,重新认识升力。告诉你个秘密,上文对升力的解释叫做天方夜谭,但十个人中有九个人都会这样给你解释升力。如果你是航迷,下文是你的专属。如果是小白,你可以现在就退,也可以挑战一下思维(毕竟会有点难)。

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刚才提到机翼上表面空气和下表面空气从前缘分离,在后缘汇合。但是为什么空气流速不一样呢?凭什么上表面空气比下表面空气走的距离长却同时到达后缘?想过没有?确实,如果这样,机翼上表面空气不遵循能量守恒定律。

事实上,飞机在刚起飞时,机翼下表面空气到达后缘时上表面空气还未流到后缘。导致流体驻足点(上下表面气流汇聚的地方)在机翼上表面。也就是说,下表面气流会从后缘倒过来绕回上表面与上表面气流汇合。你可能不信,但事实上这是正确的。WHY?根据康达效应,流体流经物体表面时会在与物体分离时改变流向。即速度矢量将往物体偏。例如,拿水管对着一个固定不动的球的左侧冲,会沿着球的曲面贴着球流到球的后方。最后会往右流。这个现象的本质是流体粘性。所以,下表面气流会流到机翼上表面。

理解了康达效应,现在该了解一个非常重要的飞行原则了。

它就是库塔茹科夫斯基定则,也叫库塔条件。库塔条件的内容为:来流的驻足点必须在机翼的后缘处,否则将在机翼后缘形成一个速度无穷大的点。

我们已经知道,下表面气流会绕到上表面,使驻足点前移,这样是无法满足库塔条件的。然而,由于机翼下表面气流绕回时流速大,与上表面气流“碰撞”时流速急剧下降,根据伯努利定理,驻足点压强很大。所以绕回的下表面气流遇上很大的逆压梯度,使边界层发生分离,形成漩涡,这个漩涡就是启动涡。根据亥姆霍兹漩涡守恒定律,即任何一个漩涡必有一个与之强度相等,方向相反的漩涡。启动涡会也会代起一个在机翼前缘附近的涡。它叫绕翼环量。这个环量旋转方向与上表面气流流向相同,所以绕翼环量加速了上表面气流,使之在后缘与下表面气流汇合,从而满足库塔条件。

绕翼环量的转轴沿着机翼旋转90度,就成了机翼涡流。机翼涡流就很常见了。

我们来看下升力公式:L=1/2pv^2^×S×Cl

式中,L为升力,p为空气密度,v为流体速度,S为机翼面积,Cl为升力系数。

还有一个升力公式为:L=pv匚

式中,匚为绕翼环量。

所以,你应该明白升力与哪些因素有关了吧。

还有一点,升力并不是竖直向上的,而是斜向上的,这个斜向上的力严格来说是作用在机翼上的空气动力的总和。它向上的分力叫升力,向后的分力叫诱导阻力。诱导阻力是飞行四大阻力中的一种,是升力产生造成的结果,其大小与速度的平方成反比。

飞机是人类智慧的结晶。它是神圣的!


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原因有两点:必须要有动力!其次就是符合空气动力学的外型设计!通俗的来说只要拥有强大的推力把一个物体快速向前推进大多数人都能做出飞行器!在拥有动力的前提下我们再说一下飞机为啥能飞起来!原因就在于飞机的外型设计,学过物理的都知道空气其实也是有重量的!有重量就一定会有压力,简称:气压,气压在气流不稳定的时候气压也会随之改变,气压和气流刚好是反比例,气流越大气压就越小。在设计飞机的时候就要考虑把飞机的整体设计成下面平直用来减小气流,上面设计的突出用来增大气流



如图是中国的“利剑”隐身无人攻击机!当飞机被发动机往前推的时候一旦速度很快的时候飞机外型的设计影响着气压,机体下面的平直使气流相对较小,气流小气压就会很大,而飞机上面非常突出这就会使上面的气流增大,气流大气压就小速度一快的话飞机就慢慢的被气压从下到上的慢慢捧起来了!这就是飞机能够飞起来的原因!


轻轻亲卿98


伯努利定理——“流体速度越快,其静压值越小(静压就是流体流动时垂直于流体运动方向所产生的压力)。”因此上表面的空气施加给机翼的压力F1小于下表面的F2。F1、F2的合力必然向上,这就产生了升力。

飞机具有两个最基本特征:其一是它自身的密度比空气大,并且它是由动力驱动前进;其二是飞机有固定的机翼,机翼提供升力使飞机翱翔于天空。不具备以上特征者不能称之为飞机,这两条缺一不可,譬如:一个飞行器它的密度小于空气,那它就是气球或飞艇。如果没有动力装置,只能在空中滑翔,则被称为滑翔机。飞行器的机翼如果不固定,靠机翼旋转产生升力,就是直升机或旋翼机。

对于伯努利理论,可以做一个实验,取两张大一点的纸,将两张纸用手拿在空中与地面垂直,并且两张纸要平行,中间留一个手掌大的缝隙,向缝隙里面吹气,就会观察到两张纸像内靠拢。


天道酬勤tjm


飞机为什么会飞,这个问题说起来简单,实则非常复杂。科学家们为此呕心沥血绞尽脑汁。

从简单的方面说,飞机会飞是因为机翼可以产生升力,在不考虑其他力的情况下,当升力大于飞机的重力时,飞机就腾空而起飞到了空中。

那么升力又是从何而来的呢?这个问题就非常复杂了。

通常的解释为:升力的产生来源于机翼的形状,机翼的横截面呈流线形的纺锤体,上面凸起,下面水平。当飞机水平前进时,空气从机翼上下流过。从上方流过的气体受到机翼的抬升,流速加快,机翼下方的空气相对流速较慢,于是机翼上下方产生了压强差,就产生了升力。也就是伯努利原理的解释。

但升力产生仅仅归结于伯努利原理是不全面的。因为有些飞机的机翼是对称型的,不是上凸下平,但也能飞。而且飞机还能头下肚上倒着飞。还有风筝是无所谓机翼的,而且是个平面,它也能飞。还有著名的砖头,只要发动机好,砖头也能飞上天,咋飞的呢。



所以,升力的产生还与机翼的迎角有关。也就是机翼的翼弦线与飞机前进方向的夹角。当迎角小于临界迎角时,迎角越大升力越大。但当迎角大于临界迎角时,迎角越大升力反而变小。飞机在大迎角飞行时会产生失速,急速下坠进入螺旋状态,如果无法及时改出,会有机毁人亡的危险。


此外,飞机的升力与空气的密度,湍流等密切相关,与飞机在亚音速下与超音速下对空气的压缩效果也密切相关。飞机的机身也对升力产生影响。所以,飞机在设计时都要经过风洞的严格测试,才能确定是否合适。总之,飞机升力是空气动力学和流体力学的综合,是一个包含庞杂的大项目。科学家们真让人敬佩啊,能归纳那么深奥的理论,并创造出飞机这种复杂的机械。我们也努力学习吧!

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