在古代,如果人可以在天上飛,那就是神仙;而現在,我們已經可以木然的看著一架架飛機騰空而行,心裡沒有半點漣漪。如果你身邊有一個小孩兒,還可能為了哄他關注下,但即便如此,對於飛機為什麼可以在天上飛,我敢說,10個人中,有9個人不知道,今天給大家科普一下簡單的航模設計基礎知識,也許你會對「上天」有不同的感受。
一、牛頓三大運動定律
如果你想要設計一個航模,那麼就不能忽略牛頓,當然不是讓你關注從樹上掉下來的蘋果,而是了解三大運動定律,比如:
定律一:除非受到外來的作用力,否則物體的速度(v)會保持不變。
沒有受力即所有外力合力為零,當飛機在天上保持等速直線飛行時,這時飛機所受的合力為零,與一般人想像不同的是,當飛機降落保持相同下沉率下降,這時升力與重力的合力仍是零,升力並未減少,否則飛機會越掉越快。
定律二:某質量為m的物體的動量(p = mv)變化率是正比於外加力 F 並且發生在力的方向上。
此即著名的 F=ma 公式,當物體受一個外力後,即在外力的方向產生一個加速度,飛機起飛滑行時引擎推力大於阻力,於是產生向前的加速度,速度越來越快阻力也越來越大,遲早引擎推力會等於阻力,於是加速度為零,速度不再增加,當然飛機此時早已飛在天空了。
定律三:作用力與反作用力是數值相等且方向相反。
你踢門一腳,你的腳也會痛,因為門也對你施了一個相同大小的力。
二、實際應用
這些定律在飛機上有很好的體現,比如噴氣式飛機的基本原理是氣推進,也就是噴氣反作用。而人類現代科學技術的噴氣式飛機就是根據伊薩克·牛頓(Isaac Newton)爵士的第三運動定律的實際應用。
根據定律三(作用力與反作用力是數值相等且方向相反),飛機的推進是「物體」通過發動機時受到加速的空氣。產生這一加速度所需的力有一大小相等方向相反的反作用力作用在產生這一加速度的裝置上。
噴氣式發動機用類似於發動機/螺旋槳組合的方式產生推力。二者均靠將大量氣體向後推來推進飛機,螺旋槳飛機是以比較低速的大量空氣滑流的形式,而噴氣式飛機是以極高速的燃氣噴氣流形式。
三、力的平衡
飛機可以飛起來,是因為作用於飛機的力要剛好平衡,要是不平衡就會合力不為零,依牛頓第二定律就會產生加速度,為了分析方便我們把力分為X、Y、Z三個軸力的平衡及繞X、Y、Z三個軸彎矩的平衡。
軸力不平衡會在合力的方向產生加速度,飛行中的飛機受的力可分為升力、重力、阻力、推力,升力由機翼提供,推力由引擎提供,重力由地心引力產生,阻力由空氣產生。
我們可以把力分解為兩個方向的力,稱 x 及 y 方向﹝當然還有一個z方向,但對飛機不是很重要,除非是在轉彎中﹞,飛機等速直線飛行時x方向阻力與推力大小相同方向相反,故x方向合力為零,飛機速度不變,y方向升力與重力大小相同方向相反,故y方向合力亦為零,飛機不升降,所以會保持等速直線飛行。
彎矩不平衡則會產生旋轉加速度,在飛機來說,X軸彎矩不平衡飛機會滾轉,Y軸彎矩不平衡飛機會偏航、Z軸彎矩不平衡飛機會俯仰。
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