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极彩注册-“伯努利升力原理”批评-力学与实践

admin 2019-06-03 269人围观 ,发现0个评论

编者按:马丁宋贝先生的这篇文章,提醒了一个耸人听闻的现实,那便是咱们耳熟能详的关于飞机升力原理的说明,竟然是一个彻里彻外的过错,而闻名的伯努利先生也是此事的受害者。发表于1993年的这篇文章,由于其刊发载体《力学与实践》的专业特性,20多年来仍显阳春白雪,没有完成拨乱兴治的效果。在通用航空日渐进入群众日子的今日,咱们期望与航空爱好者们一道凭借这篇文章,以科学、谨慎的情绪再次审视飞机升力的原理。

上面这幅图片,是图-95“熊”式轰炸机从云层上飞过的壮美画面,可以看到微弱的机翼下洗气流将其死后的云层冲刷出一道巨大的深沟,又好像圣徒摩西带领希伯来人出埃及时分隔的红海巨浪。飞机为什么能飞?神迹般的现象,背面是极端简略的原理,期望各位朋友能从文中找到答案。

译者的话:我的瑞典朋友马丁宋贝先生于1953-极彩注册-“伯努利升力原理”批评-力学与实践1983年长时间担任瑞典航空研讨院(FFA)低速气动力部主任,他是一名至今还开飞机上天的有54年前史的老飞翔员。这两年他常和我评论飞机升力发作原理的传统说法,他以为许多人误用了伯努利定理来说明升力。他说:长达半个世纪遍及全世界的飞翔员教材中的过错概念,现已酿成了飞翔事端,他有职责为此进行奋斗。退休后的这几年,他东奔西跑处处压服人们承受他的定见,先是在FFA内有了商场,接着欧洲民航年会(ECAC)选用了他的批评,现在他又在争夺世界民航安排(ICAO)和美国联邦航空局(FAA)纠正借误。不久前他寄给我一篇用英文写成的“檄文”,期望我协助寻求我国同行的定见。我将它翻译收拾并加了标题“伯努利升力原理批评”介绍给咱们。

我觉得这篇文章触及到科学原理的精确表述和科学普及的浅显说明的联系问题。飞机为什么能飞? 或升力怎样发作的? 这既是航空空气动力学要研讨的课题,也是科普教育要回答的问题。文章所批评的说法在我国的科普读物、中学教材、飞翔员课程、航空概论中也都选用,由于其浅显易懂,当然在实在的高档空气动力学教程中又是别的的讲法,要害是浅显说明不应当引进过错的概念,更不应当因过错概念导致风险的成果,固然,飞翔员的教材不行能和飞机规划师的空气动力学讲义相同,可是升力发作和飞机尾涡与下洗的密切联系却因而被忽略了,原本,在理解升力发作的原理一起,就能知道任何飞机后方都有强下洗和强尾涡,谁也不会轻率冲进这个风险地带。所以从这个含义上说,如此“浅显”法地向飞翔员教育,含义不大, 并且应对尾涡事端负必定职责。

文章还指出了许多概念性的过错,尤其是因果次序的倒置,即便关于空气动力学专业的教员与学生也必需重新知道,树立科学的物理概念。由于科普教育中过错说法的撒播之广,它相同也进入气动专业人员脑中,这种逻辑的紊乱相同存在,由于从中学物理课起便是这么教的。现在,我国中学和大学的力学教育有一个重复循环但又逐步深化的进程,相同的现象和原理,在大学时可以用更高档的数学工其科学地描绘,而在中学时则要既浅显又科学地教授基本概念。假如这种浅显中杂有许多过错,那么它并不会在大学的高档教育中天然纠正,只会贻误毕生或构成紊乱。

那么,科学的原理能不能作浅显的说明呢? 宋贝先生的文章自身就做了必定的答复。他在说明升力、机翼、别离、失速等现象时,一向以中学的牛顿规则作为起点,并且把机翼空气动力学的许多基本概念串起来了,可以说是老少咸宜,又能摒弃过错概念的进入,现在中学物理的教育越来越着重基本概念,其间十分重要的是明辩一个定理或原理的孰因孰果,宋贝先生在文章中重复争论的便是这一点。

现在,咱们进行科普教育的媒体越来越多,除了校园讲义外还有报刊杂志、广播电视、乃至文艺小说和商业广告,全社会都应当负起传达正确的术语、概念、原理的职责。这是宋贝文章的又一点启示,他作为一名空气动力学家兼老飞翔员为咱们做了一个典范。

刘尚培(我国空气动力研讨与开展中心,四川绵阳)

1.导言

飞机为什么能飞?

普通人会问:重400吨的大机器怎样能腾空飞翔? 专业人员会想:没有发作反效果的固定物体哪儿来的升力? 对飞翔员在入门时就要说明“升力发作”的原理。

长时间以来,全世界的飞翔员教材绝大多数都过错地引证“伯努利定理”说明升力,导致了许多原可避免的飞翔事端。尤其要说到一架双水獭飞机在肯尼迪机场因飞机尾迹湍流引起的事端,假如咱们向飞翔员和空中交通管理人员正确教育了升力发作的原理,他们会理解尾迹湍流的风险性,可是竟有人过后在美国《航空周刊》上评论说:“这类所谓尾迹湍流是彻底不行意料的”。

尽管早年对升力有过正确的说明(至少在德国和瑞典),可是后来在一些膏火贵重的名牌飞翔学院里,乃至在美国和英国的许多百科全书中,不可思议地钻出了许多荒诞的过错说明。最糟糕的是这种谬论竟写在联邦航空局(FAA)威望的《飞翔员航空常识手册》和世界民航安排(ICAO)的《商用飞机飞翔员训练手册》(1985 年版)中。这种“耳食之言”使过错的升力说明好像成了“绝对真理”难以推翻,它还阻止了正确的教材、图书、影视资料的发行,使过错的说明一向误人子弟。

万幸,咱们瑞典有两本书站出来别出心裁:一本是《有用航空技能》,作者是JA35 和JA37两架歼击机的总规划师;另一本是新版《瑞典大百科》,其“飞机”一节的作者多年任Saab极彩注册-“伯努利升力原理”批评-力学与实践公司飞机部主任,自己是空军的一名飞翔员,他们分别在书中论说了本文中的观念。

在美国,W. Langewiesche在《操纵杆与方向舵》一书中已向“真理”宣战,McGraw Hill公司1979年版《科技百科全书》也开端传达正确的升力表述。

飞机气动升力的发作

使一物体发作某一方向效果力,可以像固定的地上反撑人的双脚那样,也可以用设备将必定的质量朝反方向加快运动。飞机发作升力的原理归于后者,即靠机翼使必定质量的气流向下方加快。1立方米的空气在地上质量为1.25公斤,而一个边长10米(适当小飞机的翼展)立方体的空气则具有质量l.25吨! 假如逼迫质量改动运动状况,由于惯性,成果就要发作反效果力。分配整架飞机和它周围每一空气微团的改动的,仍然是牛顿在1687年提出的惯性和反效果力三规则。

78年前,德国闻名科学家普朗特提出旋涡比较理论,用于预算机翼绕流场和升力。他证明了在抱负状况下(即升力沿翼展呈椭圆散布),机翼发作的效果力“似乎”就象机翼使截面直径等于翼展的空气质量加快的效果(图1)。

图l 具有展向椭圆散布载荷的机翼后方均匀下洗速度,

可以当作机翼对流过直径等于翼展的管道中气团的效果。

升力诱导的阻力等于每秒钟有必要赋予下掠气团的能量除以飞翔速度,或者说诱导阻力乘以飞翔速度等于每秒钟应施予下掠气团的能量,在5km高空,空气密度减小一半,假如飞翔速度不变,则有必要增大攻角使下洗速度进步一倍。别的,由于需用升力和载荷因子成正比,所以飞机在急转弯时下洗速度也应成份额增大(不过这儿的“下洗”应理解为与机翼成90)。

飞机尾涡的构成

前面谈到的下移气团将与周围空气彼此效果,即气团上方空气向里流,下方空气向外流。当飞机前飞过几倍翼展间隔后,后便利构成两个平行的回转涡,涡心逐步向下移动,两涡间隔坚持不变约为0.8倍翼展(图2)。

咱们常常在四台发动机的喷气飞机后方调查到这种接连涡的集聚,就像在飞机两边各有两台发动机的排气彼此环绕集合,发动机的排气好象标志了涡心的方位。

正是这些集聚涡对飞入涡内的小飞机构成极大的风险。在旋涡部分区域,涡心邻近的横向速度会比均匀下洗速度大许多倍。一架小飞机在涡区很或许一侧机翼遭到20-30m/s 的向上流速,而另一侧机翼则遭到相同巨细但向下的速度。在高空试验时,一架DC-9飞到波音747后方,据陈述说飞时机翻滚成背朝下。飞机假如笔直横穿涡对,机翼将因承受临界结构载荷而损坏。

这种涡常被称作“翼梢涡”,许多飞翔员将它理解为翼梢自身发作的部分现象,以为涡对是从翼梢邻近宣布的。可是有些当地称之为“端涡”(end vortices)。我以为这样表述比较恰当,不过称“升力涡”(lift vortices)更好,要阐明的是这个涡对是发作气动升力的“条件”,而不是有些人说的是发作升力的“成果”。

机翼:朝下加快空气的东西

必定质量的气流向下方加快发作了升力,而机翼正是朝下加快空气的东西。在评论机翼和大气之间相对运动引起绕机翼活动的改动时,咱们既可以按实在状况考虑机翼穿过停止的大气,也可以幻想自己随飞机运动调查空气从飞机周围流过,就象调查风洞试验相同。

机翼可以当作是无弯度的平板,当它在地上停止不动且各侧均被大气围住时,各外表将遭到100000Pa的压强。由于机翼上、下方空气压力彼此抵消,所以这时升力为零。

可是,假如机翼向前运动,并与运动方向成一小视点,或称“迎角”(即“迎”着空气的“角”度),那么紧挨下外表的空气将被逼向下脱离,这些空气微团每一个都具有惯性,它引起的反效果力将顶着机翼下外表并与大气压相加,所以部分压力将大于大气压。这种压力增大的现象在离机翼还有必定间隔时就发作了,并且朝着机翼外表越来越大。

在机翼上方,100000Pa 的大气压则逼迫靠最近的一层空气流向下偏的上翼面。这部分气团惯性的反效果力要抵消上翼面的一部分大气压,因而部分压力下降而低于大气压。

介于机翼下方的高压区和上方的低压区之间是机翼前缘,空气在这儿将取得向上的加快度。当气团拐弯绕过前缘时将呈现另一种现象,即因绕前缘途径急剧曲折引起十分大的“离心力”,因而比上外表其余部分更多地抵消大气压。部分区域的低压将使当地流速增大(请注意因果次序!),它引起较大压力来抵消离心力直至抵达平衡。假如咱们从飞机上调查空气活动,就会发现不只前缘有离心力(图3),并且持续往后只需活动曲折处都有离心力,正是这种离心力的效果引起了压力改动。

图3 气团对机翼的效果进程(从飞机窗户上调查),离心力对下外表加载,对上外表卸载

这儿请注意! 物理界以为是活动曲折引起压力改动,压力改动才引起当地流速改动。可是,半个世纪以来,对飞翔员灌注的概念却与大天然的规则正相反,说什么压力下降的原因是速度加快,这些过错概念惊人地被广泛承受,乃至写入大百科全书中。更有甚者,还把这种论说强加到闻名科学家达尼尔伯努利头上,只不幸伯努利再没时机出来为自己辩解了。

是否可以这样说明呈现过错表述的原因:即开端这样写的人犯声了个过错,把普朗特教授数学上的旋涡比较和他所比较的实在物理现象混为一谈了。一向到近10来年,推行方式的普朗特“旋涡理论”都仅仅作为简洁的机翼规划东西,由它核算诱导速度项,终究再用伯努利定理求出压力。

关于机翼发作升力的原理,还可进一步评论以下三个问题:

l前缘曲率决议了活动附着和最大升力

空气是粘稠(即有粘性)的,为了避免因粘性使边界层在前缘外表和自在气流之间堆积乃至“脱离”外表,前缘的曲率和形状是至关重要的。由于一旦发作别离/堆积,所需朝下加快的空气量将显着削减,然后约束了最大升力。另一个严峻成果是前缘邻近的压降或“前缘吸力”也会显着削弱,也便是说阻力要急剧增大。

前缘半径较小的机翼,接近失速时,前缘处部分流速加快到飞翔速度的10倍。不带前缘襟、缝翼的现代运输机机翼,前缘邻近流速一般为飞翔速度的5倍,这便是说在着陆时(M&l极彩注册-“伯努利升力原理”批评-力学与实践t;0.2)现已存在严峻的压缩性效应。它也阐明为了尽或许推延终究的别离,十分要害的是使上外表的曲折尽或许缓慢一点。

2 活动别离既是对升力的约束,又是发作升力的条件

假如空气没有粘性,当然就不存在上旁边面活动别离的间题,可是上、下外表的压差就会引起绕后缘的反流。这种反流一方面下降机翼后部下侧的高压,另一方面又因空气流向上外表而削弱上侧的低压,成果底子无法发作升力。

所以,粘性引起的活动别离从机翼后缘下侧的活动来看是发作升力的条件,一起从机翼上侧活动来看又是对升力极彩注册-“伯努利升力原理”批评-力学与实践的约束。

3 前缘和后缘设备

机翼使气流经过后缘时向下的速度进步多少,决议了机翼能取得的升力巨细,这就阐明为什么在相同迎角下后缘襟翼可以有效地进步升力,而前缘襟翼就没有这种功用。前缘设备的效果仅仅使终究的活动别离推延到较大迎角,从这一方面来进步最大升力。

2.“伯努利升力原理”的批评

很多对升力发作原理的说明总是不合逻辑地说到伯努利定理,所以他们一开端就要学员学习这必定理,而多半是没有实在搞懂。

伯努利定理说的是“沿某一流线,假如没有粘性丢失,那么静压和动压之和将为恒值”。

伯努利在这儿底子没有触及任何因果联系。而现在广泛传达的“由于速度很快,所以压力很低”的说法不是伯努利定理的原意,前面现已阐明它是彻底过错的。从这种过错说法动身的各种升力说明只能当作是文字游戏,没有传授给学员任何实在的常识。

为了给飞翔员和一般人比较浅显的说明,最早的写书人就要找出一种理由阐明为什么(翼面上方)速度比较快,然后才好“运用伯努利定理”(听起来多么科学!)绕到升力的发作上来。常见的说明有两种:一种叫“上翼面旅程长”,另一种叫“半个文丘里管”。

“上冀面旅程长”。他们一上来先画一个翼剖面,下外表是平的,上外表是弯的,然后开端说:请看! 空气流过上外表的旅程比下外表长,因而在上外表要移动得快一些,才能使一起从前缘动身的气团一起在后缘会集。所以,依据伯努利定理,上外表的压力必定比下外表低。

美国空军博物馆一进大门就有个大牌子这么介绍的,至少有两本英国的百科全书也这么讲过。法国交通部出的《飞翔员攻略》和美国国家航空航天博物馆放映的电影《机翼》都是这么说明的,选用这种说法的还有世界民航安排(ICAO)1985年版《商业飞机飞翔员训练手册》。

首要,没有什么逻辑上的道理阐明:一起从前缘动身分别由机翼上、下方流过的气团,必定要一起抵达后缘。其次,这种现象底子不存在,并且和翼型对称与否毫无联系,正弯度翼剖面的机翼彻底可以翻转过来飞翔,尽管失速的速度会稍高一点。

“半个文丘里管”。持这种说法的人一开端画的是一个具有狭隘截面的管道,空气从中心流过。他们“运用接连性方程”(听起来也是十分科学!)说道:经过喉道的速度必定比宽截面处快,所以乎“由于气流加快,所以施加管壁上的压力将减小”。到此为止只议论管道内的活动,所以无可厚非。接着,他们就在边上画了两个弯度很大的翼型,凸面相对摆放,这就构成了一个二维的文丘里管。所以就类比阐明空气在两个其剖面中心流过期要被加快(这儿只字未提和什么状况比较加快了,是和入口处比仍是和周围空气的速度比?)。然后就得出荒诞的定论:“由于速度增大,所以两个曲折外表之间的压力下降”。

这种说明用得最广,始作俑者是歇尔航空公司在1950年左右出的一部精心制作的教育影片。年代日子公司在60年代中期出的一本装祯美丽的《飞翔》,以及前面说到的联邦航空局(FAA)《飞翔员航空常识手册》上都是这么说明的。

这种过错说法是很利诱人的。而在物理学中实在的因果次序是:活动曲折→压力改动→速度改动。

这种说明进程还有一处是没有道理的:当他们把图中上面那个翼型去掉,即从“文丘里管”一会儿跳到议论机翼时,就说:“当只要一个机翼对气流扰动时,相同的原理也适用”。试问这“相同”从何谈起? 前一种状况中要害是有一个缩短段,然后一种状况在一个机翼外表和无限大空间之间,底子谈不上什么“缩短”!

3.有必要纠正过错的教材说法

对升力原理的过错概念发作风险的成果,最严峻的是飞翔员底子不知道:比空气重的飞机之所以可以飞上天,先决条件是空气的下洗。这个基本原理在世界民航安排的“伯努利升力原理”说明中已无影无踪。

飞翔员教材化了很大力量去过错说明伯努利定理,无疑是浪费时间。而最要命的是从普朗特年代到肯尼迪机场的双水獭事端,飞翔员和空中交通管理人员整整晚了50年才意识到飞机后方的下洗气流与旋涡的风险性,事到临头竟有人还在文章中说构成事端的尾迹湍流是“无法意料”的。其实尾涡和下洗流的间题一直存在,惋惜不存在于有必要知道它的人们脑中。飞翔员教材中的这一过错有必要纠正。假如美国空军博物馆入口处的那块说明牌写上正确的道理,那么和XB-70超声速轰炸机相撞的F-104美国飞翔员或许不致遭此厄运了。

(刘尚培 翻译收拾)

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