风筝、飞机和鸟.ppt

1、风筝、飞机和鸟演示人：朱 纯(PB03203185)E-mail: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。风筝本身有重量，会往地面降落，它之于空中。风筝本身有重量，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（如下图所风筝在空中时，空气会分成上下流层（如下图所示），此时通过风筝下层的空气受风筝面的阻塞，示），此时通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，气压升高，空气的流速减低，由伯努力方程可知，气压升高，风筝就往上扬，上层

2、的空气流通舒畅，流速增强，风筝就往上扬，上层的空气流通舒畅，流速增强，致使气压减低，把风筝吸扬上去，升力即是由这致使气压减低，把风筝吸扬上去，升力即是由这种气压之差而产生的。故飞翔空中的风筝，接受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，同时亦受到空气往下压的压力，空气的升力之外，同时亦受到空气往下压的压力，此压力即为阻力。当升力大于风筝重力时，风筝此压力即为阻力。当升力大于风筝重力时，风筝才会上升。才会上升。风筝力学描述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)现实条件下的局部放大图现实条件下的局部放大图讨论放风筝最适宜的风速是3.5到5

3、.5m/s，由上两副图可看出，此时迎角在25度到30度之间，如果风速突然增强，要维持平衡，由受力知，必须要增大T，来减小风筝的迎角，使其达到另一个状态下的平衡。风筝结构与材料对平衡影响风筝完全被骨架围住的部分能承受较大的压力，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。理想流体动力学基本规律连续性方程：连续性方程：不可压缩流体做定常流动时，满足不可压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：压力差所做的功：飞机的升空

4、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，空气以相同速度流过飞机时，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，也就是机翼以相同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。不久由于机翼形状的不对称性和流体粘滞性的影响，下部气翼形状的不对称性和流体粘滞性的影响，下部气流速度超过上部。于是在机翼尾部两股气流汇合流速度超过上部。于是在机翼尾部两股气流汇合处形成一个逆时针的涡旋，脱离机翼而飘向下游，处形成一个逆

5、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，机翼周围会因此而形成一个顺时针方向的环流。此环流叠加在此而形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。最后机翼周围形成如下图所示的定常气流，减小。最后机翼周围形成如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。根据伯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，此压差即可形努力方程，下部压强会大于上部，此压差即可形成对机翼的升力。成对机翼的升力。在左侧各方程中：环流速度为u

6、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。实际情况并非如此。高空中气体温度较低，而粘度与温度有密切关系，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。若飞机速度加快，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要大功率的发动机来克服不断增大的阻力。小结由上述分析可知，机翼

7、的长宽及其速度的增加，不但会增大其升力，同时也会增加其阻力。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，在不改变速度的前提下，应尽量减少气流漩涡和前部迎流面积；同时要使机身保持光滑。这就是飞机通常呈流线型的本质原因。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，具有良好的流线形态。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，把鸟的重量托住，使鸟不致于像石头一

8、样往下掉。这就是伯努力原理在实际中的应用。鸟翅平飞时的飞行剖面鸟翅飘飞时的气动分析尽管鸟的身体和翅膀具有优秀的流线型形状，但由于空气具有一尽管鸟的身体和翅膀具有优秀的流线型形状，但由于空气具有一尽管鸟的身体和翅膀具有优秀的流线型形状，但由于空气具有一尽管鸟的身体和翅膀具有优秀的流线型形状，但由于空气具有一定的粘性，相对运动的空气流在鸟身上产生一定的阻力是不可避定的粘性，相对运动的空气流在鸟身上产生一定的阻力是不可避定的粘性，相对运动的空气流在鸟身上产生一定的阻力是不可避定的粘性，相对运动的空气流在鸟身上产生一定的阻力是不可避免的，这个阻力将使鸟的飞行速度愈来愈低，直至使气动力减少免的，这个阻力

9、将使鸟的飞行速度愈来愈低，直至使气动力减少免的，这个阻力将使鸟的飞行速度愈来愈低，直至使气动力减少免的，这个阻力将使鸟的飞行速度愈来愈低，直至使气动力减少到不足使鸟停留在空中。为了保持飞行速度，产生一定的气动升到不足使鸟停留在空中。为了保持飞行速度，产生一定的气动升到不足使鸟停留在空中。为了保持飞行速度，产生一定的气动升到不足使鸟停留在空中。为了保持飞行速度，产生一定的气动升力，鸟类用三种办法来克服空气阻力。力，鸟类用三种办法来克服空气阻力。力，鸟类用三种办法来克服空气阻力。力，鸟类用三种办法来克服空气阻力。第一种是：用重力势能来变换成飞行的动能。鸟类在飘滑下降时，第一种是：用重力势能来变换成

10、飞行的动能。鸟类在飘滑下降时，第一种是：用重力势能来变换成飞行的动能。鸟类在飘滑下降时，第一种是：用重力势能来变换成飞行的动能。鸟类在飘滑下降时，身体及飞行路线向下倾斜，用身体重量在前进方向的分力去克服身体及飞行路线向下倾斜，用身体重量在前进方向的分力去克服身体及飞行路线向下倾斜，用身体重量在前进方向的分力去克服身体及飞行路线向下倾斜，用身体重量在前进方向的分力去克服前进的阻力。前进的阻力。前进的阻力。前进的阻力。在上图中，气为鸟翅与空气相对运动产生的升在上图中，气为鸟翅与空气相对运动产生的升在上图中，气为鸟翅与空气相对运动产生的升在上图中，气为鸟翅与空气相对运动产生的升力，阻为鸟所受到的空气

11、阻力，重为鸟的体重；拉为气力，阻为鸟所受到的空气阻力，重为鸟的体重；拉为气力，阻为鸟所受到的空气阻力，重为鸟的体重；拉为气力，阻为鸟所受到的空气阻力，重为鸟的体重；拉为气和重共同形成的合力，该合力可拉动鸟类向前运动。当拉等和重共同形成的合力，该合力可拉动鸟类向前运动。当拉等和重共同形成的合力，该合力可拉动鸟类向前运动。当拉等和重共同形成的合力，该合力可拉动鸟类向前运动。当拉等于阻时，鸟将匀速飞行；当拉大于阻时，鸟将加速前进；于阻时，鸟将匀速飞行；当拉大于阻时，鸟将加速前进；于阻时，鸟将匀速飞行；当拉大于阻时，鸟将加速前进；于阻时，鸟将匀速飞行；当拉大于阻时，鸟将加速前进；当拉小于阻时，鸟将减速

12、飞行。鸟类必须不断调整飞行的倾当拉小于阻时，鸟将减速飞行。鸟类必须不断调整飞行的倾当拉小于阻时，鸟将减速飞行。鸟类必须不断调整飞行的倾当拉小于阻时，鸟将减速飞行。鸟类必须不断调整飞行的倾斜角，以改变飞行的速度。斜角，以改变飞行的速度。斜角，以改变飞行的速度。斜角，以改变飞行的速度。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。由于太阳对地球及海洋的曝晒，使地面及由于太阳对地球及海洋的曝晒，使地面及海面上的空气受热上升，同时也由于地球海面上的空气受热上升，同时也由于地球大气的季风作用，大气中经常性的或是阵大气的季风作用，大气中经常性的或是阵发性的，有上升气流存在。善于利

13、用上升发性的，有上升气流存在。善于利用上升气流的鸟类，可以借助这些上升气流的烘气流的鸟类，可以借助这些上升气流的烘托产生上升力，以少掉高度，不掉高度，托产生上升力，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：采用积极主动的扑翼飞行。第三种方法是：采用积极主动的扑翼飞行。鸟类扑翼运动是一种生物体特有的高度复鸟类扑翼运动是一种生物体特有的高度复杂的、高效率的运动。杂的、高效率的运动。鸟类扑翼产生推动力示意鸟类扑翼的4个过程 A、开始下扑 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

14、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装置。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装置。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装置。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装置。翅膀在气流中运动，所受空气力的大小和方向决定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定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定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定

15、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，靠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，靠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，靠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，靠近身体的部分翅膀扑动不大，和飞机机翼相似，始终产生一定的举力和阻力，但翅膀外扑动不大，和飞机机翼相似，始终产生一定的举力和阻力，但翅膀外扑动不大，和飞机机翼相似，始终产生一定的举力和阻力，但翅膀外扑动不大，和飞机机翼相似，始终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

16、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动力动力动力气气气气是向前倾的，它的水平分力是向前倾的，它的水平分力是向前倾的，它的水平分力是向前倾的，它的水平分力是一种向前的拉力，垂直分力是一种向前的拉力，垂直分力是一种向前的拉力，垂直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，为减为升力，与鸟的体重相等。翅膀上举时，气流来自上前方，为减为升力，与鸟的体重相等。翅膀上举时，气流来自上前方，为减为升力，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，整个翅膀弯曲少阻力起见，鸟类把翼尖放松，下垂，使翅膀上举时，整个翅膀弯曲少阻力起见，鸟类把翼尖放松，下垂，使翅膀上举时，