上海交通大学：《物理异想》课程教学资源（论文资料）飞机是怎么飞上天的

飞机是怎么飞上天的 5110309743劳栋 飞机是二十世纪人类文明最为重要的发明之一。自古以来，人类 就梦想着能像鸟一样翱翔于蓝天。为此，无数人付出了血与汗甚至是 生命的代价。文艺复兴时期著名 的艺术家发明家达芬奇就曾经痴 迷于研究飞行器，曾经设计了扑 翼机、滑翔机和直升机。早在 1783年，人类便真正首次得以升 空，热气球成为了第一个把人类 热气球 带上天空的飞行器。然而，现代飞机的出现则晚了很多。1903年， 美国的莱特兄弟通过持续不懈的 努力，终于制造出了第一架依靠自 身动力进行载人飞行的飞机“飞行 者一号”。 从小到大，物理老师总是这样 飞行者一号 高速我们：“飞机之所以能飞，是 因为机翼上方的气流速度大于下方的速度。由于空气速度越大，压强 越低，因而飞机可以获得向上的升力。”然而，机翼上方的气流是如 何被加速的呢？在科普文章中，我们被告知机翼的形状使得上方的气 流在等时间内走过的路程要长，因而上方的空气流速要快。显然，这 种投机取巧的说法并不让人信服

飞机是怎么飞上天的 5110309743 劳栋 飞机是二十世纪人类文明最为重要的发明之一。自古以来，人类 就梦想着能像鸟一样翱翔于蓝天。为此，无数人付出了血与汗甚至是 生命的代价。文艺复兴时期著名 的艺术家发明家达芬奇就曾经痴 迷于研究飞行器，曾经设计了扑 翼机、滑翔机和直升机。早在 1783 年，人类便真正首次得以升 空，热气球成为了第一个把人类 带上天空的飞行器。然而，现代飞机的出现则晚了很多。1903 年， 美国的莱特兄弟通过持续不懈的 努力，终于制造出了第一架依靠自 身动力进行载人飞行的飞机“飞行 者一号”。 从小到大，物理老师总是这样 高速我们：“飞机之所以能飞，是 因为机翼上方的气流速度大于下方的速度。由于空气速度越大，压强 越低，因而飞机可以获得向上的升力。”然而，机翼上方的气流是如 何被加速的呢？在科普文章中，我们被告知机翼的形状使得上方的气 流在等时间内走过的路程要长，因而上方的空气流速要快。显然，这 种投机取巧的说法并不让人信服。 热气球 飞行者一号

经过流体力学的发展，科学 家和工程师们发现，真正让机 分离 翼上方的气流加速的，并不是 机翼气流图 简单的上下气流的路程差，而 是其机翼周边的环流（有时又成涡流）。机翼上下不对称，进入气流 之后前后各有一个流速为零的点。所以如果我们让飞机向左飞，从我 们的视角看去机翼尾后便具有逆时针方向的环流。有趣的是，这种环 流人们并没有直接的观测结果，只是由于出现了逆向的环流而推测 的。也就是说，人类其实到现在依然并不完全清楚自己造出的飞机究 竟是如何飞上天的。然而，这并不妨碍我们制造出安全高性能的飞机， 因为无数的实验证明现在的飞机结构原理是可靠可行的。 其实，飞机受到升力，原理与足球比 赛中常见的“香蕉球”一样。在足球比赛 中，我们常常可以看到球员踢出的球带有 漂亮的弧线，正是由于球员提出的足球带 有强烈的旋转，带动了足球周边的气流， 澳大利亚飞镖 形成了环流，使得足球两边的空气流速产生差距，从而产生了压力差。 同样的现象还体现在乒乓球的旋球、澳大利亚飞镖等地方。 当飞机飞上了天，人们面临的下一个问题就是如何让它提速。飞 机在最初发明的时候，速度不过几十公里每小时。莱特兄弟发明的第 一架飞机“飞行者一号”的第一次试飞仅仅飞行了30米，紧接着第 二次试飞飞行距离达到52米，又过了一段时间，飞行了59秒，距离

经过流体力学的发展，科学 家和工程师们发现，真正让机 翼上方的气流加速的，并不是 简单的上下气流的路程差，而 是其机翼周边的环流（有时又成涡流）。机翼上下不对称，进入气流 之后前后各有一个流速为零的点。所以如果我们让飞机向左飞，从我 们的视角看去机翼尾后便具有逆时针方向的环流。有趣的是，这种环 流人们并没有直接的观测结果，只是由于出现了逆向的环流而推测 的。也就是说，人类其实到现在依然并不完全清楚自己造出的飞机究 竟是如何飞上天的。然而，这并不妨碍我们制造出安全高性能的飞机， 因为无数的实验证明现在的飞机结构原理是可靠可行的。 其实，飞机受到升力，原理与足球比 赛中常见的“香蕉球”一样。在足球比赛 中，我们常常可以看到球员踢出的球带有 漂亮的弧线，正是由于球员提出的足球带 有强烈的旋转，带动了足球周边的气流， 形成了环流，使得足球两边的空气流速产生差距，从而产生了压力差。 同样的现象还体现在乒乓球的旋球、澳大利亚飞镖等地方。 当飞机飞上了天，人们面临的下一个问题就是如何让它提速。飞 机在最初发明的时候，速度不过几十公里每小时。莱特兄弟发明的第 一架飞机“飞行者一号”的第一次试飞仅仅飞行了 30 米，紧接着第 二次试飞飞行距离达到 52 米，又过了一段时间，飞行了 59 秒，距离 机翼气流图 澳大利亚飞镖

达到255米，速度甚至还不及现在的自行车，足见当时飞机速度的缓 慢。后来经过航空技术的改进，人们造出了更轻的航空发动机和更加 先进的飞机几何形状，大大提升了飞机的性能。然而，有一个速度人 类始终无法突破，那就是音 速。 飞机突破音速最大的阻碍 来自于音障。当飞机接近于音 速，马赫锥的顶角趋近于180 度，简单来说，飞机发出的声 飞机突破音障 波犹如一堵墙横在飞机面前。音障会导致强烈的气流紊乱，会使机身 抖动、失控，甚至解体。在第二次世界大战期间，一些战斗机在加速 俯冲的过程中速度达到0.9倍音速，就曾强烈感受到了音障，并有的 飞机因此而失事。1947年，美国空军的试飞员查尔斯·耶格尔上尉成 为了人类历史上第一个比声音更快的人。他驾驶飞行速度达到了1078 公里/小时，相当于声速的1.015倍。人类自此突破了音障，航空史赢 来了一个新的纪元

达到 255 米，速度甚至还不及现在的自行车，足见当时飞机速度的缓 慢。后来经过航空技术的改进，人们造出了更轻的航空发动机和更加 先进的飞机几何形状，大大提升了飞机的性能。然而，有一个速度人 类始终无法突破，那就是音 速。 飞机突破音速最大的阻碍 来自于音障。当飞机接近于音 速，马赫锥的顶角趋近于 180 度，简单来说，飞机发出的声 波犹如一堵墙横在飞机面前。音障会导致强烈的气流紊乱，会使机身 抖动、失控，甚至解体。在第二次世界大战期间，一些战斗机在加速 俯冲的过程中速度达到 0.9 倍音速，就曾强烈感受到了音障，并有的 飞机因此而失事。1947 年，美国空军的试飞员查尔斯·耶格尔上尉成 为了人类历史上第一个比声音更快的人。他驾驶飞行速度达到了1078 公里/小时，相当于声速的 1.015 倍。人类自此突破了音障，航空史赢 来了一个新的纪元。 飞机突破音障