談談機翼產生升力的物理原理。
其實機翼產生升力,滑塊斜面裝置的橫向移動,游泳,打羽毛時擺動左臂,螺旋槳飛機的推力,噴氣式飛機的推力,直升飛機的升力,火箭的推力,降落傘的升力用的都是同樣的物理原理。這些都是沒有外力的情況下,系統內力產生的移動和加速度。這個物理原理就是動量守恆定律和質心守恆定律。
先說說滑塊斜面裝置的橫向移動。假設滑塊與斜面體之間沒有摩擦力,斜面體與地面之間也沒有摩擦力。系統只受到縱向的重力,沒有橫向的外力。但是在重力的作用下,滑塊下滑,產生橫向移動(向左)。為了保持橫向質心不變,斜面體要向右移動。這是系統的橫向內力(由重力產生)把一部分質量向左推出,使得其它部分向右移動。
打羽毛時擺動左臂。向前跑位時,向後擺動左臂是對腿推進力的的一種補償。系統把左臂質量向後推出,使得身體其它部分向前移動,容易接到前面的球。
游泳。假設是蛙游。手臂的划水和腿的夾水都是把系統的質量向後推出。當手臂恢復時,其姿態使得向前推出的水很少。當腿恢復時,其姿態,速度都使得向前推出的水少。這樣淨推水的方向是向後的,使得系統其它部分(人體)向前移動。自由式的划水的恢復是水外完成,向後推水效率很高。
降落傘下降時把同高層的空氣向下壓。系統把質量向下推出,使得系統其它部分(降落傘,人)獲得升力。
螺旋槳飛機的推力是因把螺旋槳附近的空氣向後推出而獲得。直升飛機的升力因把螺旋槳附近的空氣向下推出而獲得。
現在討論機翼產生的升力。先討論簡化的機翼。假設機翼截面的底部是橫向直線,迎風部是四分之一圓弧,圓弧最高點到機翼尾是直線。飛機向前移動時,經過機翼底面的空氣沒有上下方向的分流。經過迎風部的空氣向上分流,圓弧最高點到機翼尾這一段是負壓區,圓弧最高點之上的空氣要向下流動補充負壓區。由於負壓區較大,總效應是空氣向下流動。這是系統把一部分質量向下推出,使得其它部分向上移動。如果機翼有一個迎角,經過機翼底面的空氣要向下分流,機翼上面的負壓區增大,機翼最高點之上的空氣要向下流動更多,來補充負壓區。總效應是更多空氣向下流動。這樣,升力要增加。
其實螺旋槳葉片的橫截面與機翼的橫截面是類似的。都是利用下面向下分流,上面負壓來獲得升力的。
風箏也是這樣。風箏的迎角較大。利用下面向下分流,上面負壓來獲得升力的。
噴氣式飛機和火箭都是自帶物質(燃料)。系統把質量向後推出,使得系統其它部分獲得向前的推力。