基本航空力學
文: (Nomad) Joe Chang
Bernoulli's Principle (浮力部分的詳解)
(Bernoulli這人中文我不知一般是怎麼翻譯的, 這裡就以原名來寫吧,
反正在這裡也只是提提他的理論,
要是大家對流體力學細節部分沒興趣的話...他是誰其實不是很重要的
^_^)
雖說大家不一定會感興趣
不過還是多少提一提他的生平吧...
Bernoulli, Daniel (1700-1782), 瑞士的數學家
曾經得過10次法國學術年度獎項(Annual prize of the French Academy)
他對於數學, 物理, 及流體力學有著及卓越的貢獻
他著名的理論有, Bernoulli's Principle, Kinetic Theory, 和Bessel Functions等等...
今天我們要提到跟飛行及浮力有關係的, 則是他著名的Bernoulli's Principle
這個理論最重要的觀念其實只有一句話
也就是:當流體移動的速度越快, 它所承受的壓力也就越小
那, 有人或許看到這裡要問
上面說了一大串, 跟飛機的飛行到底有什麼重要的關係呢??
首先請先看下面這張圖
(以上圖片取自於
Engineering Fluid Mechanics, by Roberson/Crowe)
上面這張圖, 也就是一般飛機機翼的剖面圖(弧狀部分為前端, 尖狀為後端)
機翼的上方略成弧形, 且長度比機翼的下方來的長
當飛機以高速向前移動時, 空氣(流體)則會向後移動
(相對於機翼來說)此時, 因為空氣不論通過機翼的上方或下方都
需要同樣的時間但, 因為上方機翼距離比下方長, 所以通過機翼上方的空氣速率就
高過通過下方的空氣(註...距離=速率/時間)
那再回頭看看剛剛提到的
Bernoulli's Principle其中說到當流體移動的速度越快, 它所承受的壓力也就越小
所以
因為通過機翼上方的空氣較快, 所以它承受的壓力較小
因為通過機翼下方的空氣較慢, 所以它承受的壓力較大
最後結果就因為上方壓力小, 下方壓力大, 壓力大的往壓力小的地方移動
所以就會產生一股向上的力, 此即為浮力..
結果如下圖所示的
(以上圖片取自於, Building Science for a Cold Climate, by Neil B Hutcheon, and Gustav OP. Handegord)
由以上的理論我們另外可以得到幾個簡單但實用的結論
1. 當速度越快時, 浮力也越大
(前一章有提到過)因為當速度越快時, 機翼上下空氣流速的差距也越大, 相對的壓力的變化也越大
2. 當速度越快時, 能飛的高度也增加
這原因同第一項
3. 高度越高浮力越低
這是因為高度越高時, 空氣越變的稀薄
換句話說, 通過機翼的空氣相對減少,
這時若要保持上升的話, 就需要增加推力(也就是引擎的動力)
但因為引擎推力有其上限, 所以飛行器最終會到達一個其高度上限