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1、风筝、飞机和鸟演示人：朱 纯 (PB03203185): zucnmail.ustc.edu风筝升空原理风筝能升空的原理，主要是靠风的推力升扬风筝能升空的原理，主要是靠风的推力升扬于空中。风筝本身有分量，会往地面降落，它之于空中。风筝本身有分量，会往地面降落，它之能在空中飘浮飞翔，是受空气的力量支撑向上。能在空中飘浮飞翔，是受空气的力量支撑向上。风筝在空中时，空气会分成上下流层如以下图风筝在空中时，空气会分成上下流层如以下图所示，此时经过风筝下层的空气受风筝面的阻所示，此时经过风筝下层的空气受风筝面的阻塞，空气的流速减低，由伯努力方程可知，气压塞，空气的流速减低，由伯努力方程可知，气压升高，风
2、筝就往上扬，上层的空气流通酣畅，流升高，风筝就往上扬，上层的空气流通酣畅，流速加强，致使气压减低，把风筝吸扬上去，升力速加强，致使气压减低，把风筝吸扬上去，升力即是由这种气压之差而产生的。故飞翔空中的风即是由这种气压之差而产生的。故飞翔空中的风筝，接受空气的升力之外，同时亦遭到空气往下筝，接受空气的升力之外，同时亦遭到空气往下压的压力，此压力即为阻力。当升力大于风筝重压的压力，此压力即为阻力。当升力大于风筝重力时，风筝才会上升。力时，风筝才会上升。风筝力学描画平衡时受力分析及其力学方程o(受力平衡方程)o(力矩平衡方程)o(几何约束条件)现实条件下的部分放大图现实条件下的部分放大图讨论放风筝最
3、适宜的风速是3.5到5.5m/s，由上两副图可看出，此时迎角在25度到30度之间，假设风速忽然加强，要维持平衡，由受力知，必需求增大T，来减小风筝的迎角，使其到达另一个形状下的平衡。风筝构造与资料对平衡影响风筝完全被骨架围住的部分能接受较大的压力，从而使风筝飞扬。但由于空中风向与风速的不稳定，使其左右摇摆，稳定性较差。遇风时，风筝没有被骨架围住的部分会变成斜面，把风泄掉，有平衡与稳定的作用。理想流体动力学根本规律延续性方程：延续性方程：不可紧缩流体做定常流动时，满足不可紧缩流体做定常流动时，满足伯努力方程：单位体积流体的机械能增量等于伯努力方程：单位体积流体的机械能增量等于压力差所做的功：压力
4、差所做的功：飞机的升空原理根据相对原理：模型飞机在静止的空气中飞行时所受的空气动力与飞机静止不动，空气以一样速度流过飞机时，所受的空气动力是完全一样的。所以空气流过机翼时的速度和压力的变化，也就是机翼以一样速度在空气中运动时，气流在机翼上的速度和压力的变化。所以在相对机翼静止的参考系中，气流做自左向右的定常流动。起初，机翼上下气流速度几乎相等。不久由于机起初，机翼上下气流速度几乎相等。不久由于机翼外形的不对称性和流体粘滞性的影响，下部气翼外形的不对称性和流体粘滞性的影响，下部气流速度超越上部。于是在机翼尾部两股气流集合流速度超越上部。于是在机翼尾部两股气流集合处构成一个逆时针的涡旋，脱离机翼而
5、飘向下游，处构成一个逆时针的涡旋，脱离机翼而飘向下游，对机翼不起作用。由角动量守恒，机翼周围会因对机翼不起作用。由角动量守恒，机翼周围会因此而构成一个顺时针方向的环流。此环流叠加在此而构成一个顺时针方向的环流。此环流叠加在原气流上，使机翼上部气流流速增大，下部流速原气流上，使机翼上部气流流速增大，下部流速减小。最后机翼周围构成如以下图所示的定常气减小。最后机翼周围构成如以下图所示的定常气流，此气流在机翼上部的流速比在下部的大。根流，此气流在机翼上部的流速比在下部的大。根据伯努力方程，下部压强会大于上部，此压差即据伯努力方程，下部压强会大于上部，此压差即可构成对机翼的升力。可构成对机翼的升力。在
6、左侧各方程中：环流速度为u机翼远前方气流的速度和压强可视为常数，分别设为v和p0机翼上部压强为p1,下部为p2。机翼宽为d，长为l。飞行过程的力学分析从F的表达式可知，当l,d或v较大时，F较大。但这是把流体近似为理想流体。实践情况并非如此。高空中气体温度较低，而粘度与温度有亲密关系，对于气体温度越高，粘度越大。从而高空中气体可近似看作理想流体。假设飞机速度加快，粘滞阻力与压差阻力均会增大；同时，由于摩擦生热，飞机周围流体温度升高，粘度变大，会进一步加大阻力。l,d增大，而粘滞阻力与压差阻力均与飞机横截面积成正比。因此，上述阻力均会有所增大。在高空飞行的飞机需求大功率的发动机来抑制不断增大的阻
7、力。小结由上述分析可知，机翼的长宽及其速度的添加，不但会增大其升力，同时也会添加其阻力。压差阻力与速度二次方成正比，所以压差阻力是阻力的主要来源。为了减小阻力，在不改动速度的前提下，应尽量减少气流漩涡和前部迎流面积；同时要使机身坚持光滑。这就是飞机通常呈流线型的本质缘由。鸟类的飞行原理滑翔时，鸟类翅膀在相对气流的作用下，能产生升力。由于鸟类翅膀具有良好的空气动力学特性，具有良好的流线形状。翅膀前沿圆匀，后面尖尾，上部凸起，下部微凹。当鸟在空中滑翔时，空气在翅膀上、下部产生压强差，翼面上部流速变大，压强变小；翼面下部流速不变或变慢，压强不变或升高，这样,上下翼面的压强差产生一个向上的升力，把鸟的
8、分量托住，使鸟不致于像石头一样往下掉。这就是伯努力原理在实践中的运用。 鸟翅平飞时的飞行剖面鸟翅飘飞时的气动分析虽虽然然然然鸟鸟的身体和翅膀具有的身体和翅膀具有的身体和翅膀具有的身体和翅膀具有优优秀的流秀的流秀的流秀的流线线型外形，但由于空气具有一型外形，但由于空气具有一型外形，但由于空气具有一型外形，但由于空气具有一定的粘性，相定的粘性，相定的粘性，相定的粘性，相对对运运运运动动的空气流在的空气流在的空气流在的空气流在鸟鸟身上身上身上身上产产生一定的阻力是不可防生一定的阻力是不可防生一定的阻力是不可防生一定的阻力是不可防止的，止的，止的，止的，这这个阻力将使个阻力将使个阻力将使个阻力将使鸟鸟
9、的的的的飞飞行速度愈来愈低，直至使气行速度愈来愈低，直至使气行速度愈来愈低，直至使气行速度愈来愈低，直至使气动动力减少力减少力减少力减少到缺乏使到缺乏使到缺乏使到缺乏使鸟鸟停留在空中。停留在空中。停留在空中。停留在空中。为为了了了了坚坚持持持持飞飞行速度，行速度，行速度，行速度，产产生一定的气生一定的气生一定的气生一定的气动动升升升升力，力，力，力，鸟类鸟类用三种方法来抑制空气阻力。用三种方法来抑制空气阻力。用三种方法来抑制空气阻力。用三种方法来抑制空气阻力。第一种是：用重力第一种是：用重力第一种是：用重力第一种是：用重力势势能来能来能来能来变换变换成成成成飞飞行的行的行的行的动动能。能。能。
10、能。鸟类鸟类在在在在飘飘滑下降滑下降滑下降滑下降时时，身体及身体及身体及身体及飞飞行道路向下行道路向下行道路向下行道路向下倾倾斜，用身体分量在前斜，用身体分量在前斜，用身体分量在前斜，用身体分量在前进进方向的分力去抑制方向的分力去抑制方向的分力去抑制方向的分力去抑制前前前前进进的阻力。的阻力。的阻力。的阻力。 在上在上在上在上图图中，气中，气中，气中，气为鸟为鸟翅与空气相翅与空气相翅与空气相翅与空气相对对运运运运动产动产生的升生的升生的升生的升力，阻力，阻力，阻力，阻为鸟为鸟所遭到的空气阻力，重所遭到的空气阻力，重所遭到的空气阻力，重所遭到的空气阻力，重为鸟为鸟的体重；拉的体重；拉的体重；拉的
11、体重；拉为为气气气气和重共同构成的合力，和重共同构成的合力，和重共同构成的合力，和重共同构成的合力，该该合力可拉合力可拉合力可拉合力可拉动鸟类动鸟类向前运向前运向前运向前运动动。当拉等。当拉等。当拉等。当拉等于阻于阻于阻于阻时时，鸟鸟将匀速将匀速将匀速将匀速飞飞行；当拉大于阻行；当拉大于阻行；当拉大于阻行；当拉大于阻时时，鸟鸟将加速前将加速前将加速前将加速前进进；当拉小于阻当拉小于阻当拉小于阻当拉小于阻时时，鸟鸟将减速将减速将减速将减速飞飞行。行。行。行。鸟类鸟类必需不断必需不断必需不断必需不断调调整整整整飞飞行的行的行的行的倾倾斜角，以改斜角，以改斜角，以改斜角，以改动飞动飞行的速度。行的速
12、度。行的速度。行的速度。 第二种方法是：利用大气中的上升气流。第二种方法是：利用大气中的上升气流。由于太阳由于太阳对地球及海洋的曝晒，使地面及地球及海洋的曝晒，使地面及海面上的空气受海面上的空气受热上升，同上升，同时也由于地球也由于地球大气的季大气的季风作用，大气中作用，大气中经常性的或是常性的或是阵发性的，有上升气流存在。擅性的，有上升气流存在。擅长利用上升利用上升气流的气流的鸟类，可以借助，可以借助这些上升气流的烘些上升气流的烘托托产生上升力，以少掉高度，不掉高度，生上升力，以少掉高度，不掉高度，甚至是上升。甚至是上升。第三种方法是：采用第三种方法是：采用积极自极自动的扑翼的扑翼飞行。行。
13、鸟类扑翼运扑翼运动是一种生物体特有的高度复是一种生物体特有的高度复杂的、高效率的运的、高效率的运动。鸟类扑翼产生推进力表示鸟类扑翼的4个过程 A、开场下扑 B、快速下扑 C、扑至低点 D、弯曲上提 扑翼飞行是一种高效的飞行方式。鸟类的翅膀相当于飞机的机翼，但扑翼飞行是一种高效的飞行方式。鸟类的翅膀相当于飞机的机翼，但扑翼飞行是一种高效的飞行方式。鸟类的翅膀相当于飞机的机翼，但扑翼飞行是一种高效的飞行方式。鸟类的翅膀相当于飞机的机翼，但鸟类的翅膀在扑动时，相当于飞机的螺旋浆或喷气推进安装。翅膀在鸟类的翅膀在扑动时，相当于飞机的螺旋浆或喷气推进安装。翅膀在鸟类的翅膀在扑动时，相当于飞机的螺旋浆或喷
14、气推进安装。翅膀在鸟类的翅膀在扑动时，相当于飞机的螺旋浆或喷气推进安装。翅膀在气流中运动，所受空气力的大小和方向决议于气流的相对速度和方向。气流中运动，所受空气力的大小和方向决议于气流的相对速度和方向。气流中运动，所受空气力的大小和方向决议于气流的相对速度和方向。气流中运动，所受空气力的大小和方向决议于气流的相对速度和方向。要看气流从那一边吹，吹得多快。鸟类飞行时，接近身体的部分翅膀要看气流从那一边吹，吹得多快。鸟类飞行时，接近身体的部分翅膀要看气流从那一边吹，吹得多快。鸟类飞行时，接近身体的部分翅膀要看气流从那一边吹，吹得多快。鸟类飞行时，接近身体的部分翅膀扑动不大，和飞机机翼类似，一直产生
15、一定的举力和阻力，但翅膀外扑动不大，和飞机机翼类似，一直产生一定的举力和阻力，但翅膀外扑动不大，和飞机机翼类似，一直产生一定的举力和阻力，但翅膀外扑动不大，和飞机机翼类似，一直产生一定的举力和阻力，但翅膀外半部就完全不同了，下扑时，翅膀除了向前运动外，还有向下的快速半部就完全不同了，下扑时，翅膀除了向前运动外，还有向下的快速半部就完全不同了，下扑时，翅膀除了向前运动外，还有向下的快速半部就完全不同了，下扑时，翅膀除了向前运动外，还有向下的快速运动。也就是说，合气流来自下前方如上图所示，运动。也就是说，合气流来自下前方如上图所示，运动。也就是说，合气流来自下前方如上图所示，运动。也就是说，合气流
16、来自下前方如上图所示， 所产生的空气所产生的空气所产生的空气所产生的空气动力气是向前倾的，它的程度分力是一种向前的拉力，垂直分动力气是向前倾的，它的程度分力是一种向前的拉力，垂直分动力气是向前倾的，它的程度分力是一种向前的拉力，垂直分动力气是向前倾的，它的程度分力是一种向前的拉力，垂直分力为升力，与鸟的体重相等。翅膀上举时，气流来自上前方，为力为升力，与鸟的体重相等。翅膀上举时，气流来自上前方，为力为升力，与鸟的体重相等。翅膀上举时，气流来自上前方，为力为升力，与鸟的体重相等。翅膀上举时，气流来自上前方，为减少阻力起见，鸟类把翼尖放松，下垂，使翅膀上举时，整个翅膀弯减少阻力起见，鸟类把翼尖放松
17、，下垂，使翅膀上举时，整个翅膀弯减少阻力起见，鸟类把翼尖放松，下垂，使翅膀上举时，整个翅膀弯减少阻力起见，鸟类把翼尖放松，下垂，使翅膀上举时，整个翅膀弯曲成一楔形，所构成的负升力为最小，总结起来，鸟的扑翼动作可以曲成一楔形，所构成的负升力为最小，总结起来，鸟的扑翼动作可以曲成一楔形，所构成的负升力为最小，总结起来，鸟的扑翼动作可以曲成一楔形，所构成的负升力为最小，总结起来，鸟的扑翼动作可以分解为四个步骤：分解为四个步骤：分解为四个步骤：分解为四个步骤：A.A.弯曲慢速上提；弯曲慢速上提；弯曲慢速上提；弯曲慢速上提；B.B.外伸向下扑打；外伸向下扑打；外伸向下扑打；外伸向下扑打；C.C.快速向下
18、扇快速向下扇快速向下扇快速向下扇打空气；打空气；打空气；打空气；D.D.扑打至最低处，扑打至最低处，扑打至最低处，扑打至最低处， 向翅根处缩入。向翅根处缩入。向翅根处缩入。向翅根处缩入。 在长期的演化中，鸟的翅膀的羽毛极适宜于飞翔在长期的演化中，鸟的翅膀的羽毛极适宜于飞翔在长期的演化中，鸟的翅膀的羽毛极适宜于飞翔在长期的演化中，鸟的翅膀的羽毛极适宜于飞翔的需求。鸟类在扑动过程中不断改动本身羽毛的的需求。鸟类在扑动过程中不断改动本身羽毛的的需求。鸟类在扑动过程中不断改动本身羽毛的的需求。鸟类在扑动过程中不断改动本身羽毛的陈列方式，同时，整个翅膀的外形和位置也在变陈列方式，同时，整个翅膀的外形和位
19、置也在变陈列方式，同时，整个翅膀的外形和位置也在变陈列方式，同时，整个翅膀的外形和位置也在变化，往下扑动时，大羽毛彼此并紧使整个翅膀成化，往下扑动时，大羽毛彼此并紧使整个翅膀成化，往下扑动时，大羽毛彼此并紧使整个翅膀成化，往下扑动时，大羽毛彼此并紧使整个翅膀成为一张上下外表根本不通气的翼面。这样可以得为一张上下外表根本不通气的翼面。这样可以得为一张上下外表根本不通气的翼面。这样可以得为一张上下外表根本不通气的翼面。这样可以得到较大的上下外表压强差，上外表为负压，下外到较大的上下外表压强差，上外表为负压，下外到较大的上下外表压强差，上外表为负压，下外到较大的上下外表压强差，上外表为负压，下外表为
20、正压。而当翅膀向上抬起时，整个翅膀向内表为正压。而当翅膀向上抬起时，整个翅膀向内表为正压。而当翅膀向上抬起时，整个翅膀向内表为正压。而当翅膀向上抬起时，整个翅膀向内弯曲，大羽毛陈列松开，上、下翼面之间出现了弯曲，大羽毛陈列松开，上、下翼面之间出现了弯曲，大羽毛陈列松开，上、下翼面之间出现了弯曲，大羽毛陈列松开，上、下翼面之间出现了许多通气的缝，作用在翼面上的阻力就小多了。许多通气的缝，作用在翼面上的阻力就小多了。许多通气的缝，作用在翼面上的阻力就小多了。许多通气的缝，作用在翼面上的阻力就小多了。 总结一样点大体来说，风筝、飞机和鸟的升力产生的原理是一样的。它们都是由于上下两侧气流的流速不同呵斥压力差来实现上升的。所受阻力一样，都为粘滞阻力与压差阻力。飞机和鸟都是经过流线型外表来减少飞行时所遭到的主要阻力，即压差阻力。由于风筝和鸟的分量较小，它们还要借助重要的外力，即上升气流来实现上升。总结不同点上升条件不同。风筝必需在有风条件下才干实现上升，而飞机与鸟那么不然。其主要缘由是飞机与鸟能本身产生动力，从而获得与气流的相对速度呵斥压差。抑制阻力的方式不同。风筝靠提线拉力的分力来抑制阻力，飞机靠的是发动机的推力，而鸟那么是靠扑翼运动来获得向前的动力。 End
