上海交通大学：《物理异想》课程教学资源（论文资料）飛的力量

飛的力量 當人類文明還未如此發達的時候，我們的祖先就憧憬著自己能像鳥兒一樣離 開大地，在藍天中展翅翱翔。繁體的“飛”字中仍保留著“飛”的基本要素一一 “升”。升力是承載我們飛行的力量，沒有向上的升力，就不能擺脫地球引力的 束縛。當然除了升力，一個能為我們所用的飛行器還需具備我們可操控的動力。 因此，升力和動力構成了“飛”的物理條件。 早在14世紀末期，我國明代的萬戶就設想利用火箭的推力，加上風箏的力 量起飛。他把47個自製火箭綁在椅子上，雙手舉著2只大風箏坐上椅子。然而 點火發射時，火箭爆炸，座椅卻未能離開地面，萬戶也為此獻出了生命。現在我 們再來重新思考萬戶的試驗，就會發現，他企圖利用火箭向下噴射的反作用力來 作為升力使座椅起飛，這一點是不切實際的。第一，古時的火箭燃料燃燒熱度低， 產生推力的時間很短暂，不足以使上百公斤的座椅飛起至一定高度；第二，47 個火箭很難保證各向推動力的平衡，極易使整個装置傾覆。 1783年，法國人菲爾兄弟完成了第一次載人空中航行，他們的工具是一隻 熱氣球。熱氣球利用加熱的空氣（或是氫氣、氦氣），使得它們的密度小於氣球 外的氣體密度，從而產生向上的合力，維持熱氣球的飛行。熱氣球上往往有機載 加熱器，用來調整氣囊中空氣的溫度，從而達到控制氣球升降的目的。對於飛行 的熱氣球來說，風是唯一的動力。我們必須選擇方向和速度適當的高空氣流，隨 風飄動，才能高效地完成飛行。 120年后，美國人萊特兄弟發明了真正意義上的固定翼飛機。它包括了兩個 基本的特徵：其一是自身密度比空氣大，并由自身動力驅動前進：其二是有固定 的機翼，機翼提供升力使飛機飛翔于空中。第一條是爲了區別于飛機與飛艇、熱 氣球、滑翔機，第二條是爲了區別于直升機等旋翼機。飛機的機翼上下兩側並不 對稱，上側的要凸些，而下側的則要平些。如下圖： 固定翼飛機機翼的流體力學效應 固定翼飛機飛行時，機翼在空氣中移動，也等於是空氣相對沿機翼流動。在 同樣的時間內，由於曲線長於直線，機翼上側的空氣比下側的空氣流過了較多的

飛的力量 當人類文明還未如此發達的時候，我們的祖先就憧憬著自己能像鳥兒一樣離 開大地，在藍天中展翅翱翔。繁體的“飛”字中仍保留著“飛”的基本要素—— “升”。升力是承載我們飛行的力量，沒有向上的升力，就不能擺脫地球引力的 束縛。當然除了升力，一個能為我們所用的飛行器還需具備我們可操控的動力。 因此，升力和動力構成了“飛”的物理條件。 早在 14 世紀末期，我國明代的萬戶就設想利用火箭的推力，加上風箏的力 量起飛。他把 47 個自製火箭綁在椅子上，雙手舉著 2 只大風箏坐上椅子。然而 點火發射時，火箭爆炸，座椅卻未能離開地面，萬戶也為此獻出了生命。現在我 們再來重新思考萬戶的試驗，就會發現，他企圖利用火箭向下噴射的反作用力來 作為升力使座椅起飛，這一點是不切實際的。第一，古時的火箭燃料燃燒熱度低， 產生推力的時間很短暫，不足以使上百公斤的座椅飛起至一定高度；第二，47 個火箭很難保證各向推動力的平衡，極易使整個裝置傾覆。 1783 年，法國人菲爾兄弟完成了第一次載人空中航行，他們的工具是一隻 熱氣球。熱氣球利用加熱的空氣（或是氫氣、氦氣），使得它們的密度小於氣球 外的氣體密度，從而產生向上的合力，維持熱氣球的飛行。熱氣球上往往有機載 加熱器，用來調整氣囊中空氣的溫度，從而達到控制氣球升降的目的。對於飛行 的熱氣球來說，風是唯一的動力。我們必須選擇方向和速度適當的高空氣流，隨 風飄動，才能高效地完成飛行。 120 年后，美國人萊特兄弟發明了真正意義上的固定翼飛機。它包括了兩個 基本的特徵：其一是自身密度比空氣大，并由自身動力驅動前進；其二是有固定 的機翼，機翼提供升力使飛機飛翔于空中。第一條是爲了區別于飛機與飛艇、熱 氣球、滑翔機，第二條是爲了區別于直升機等旋翼機。飛機的機翼上下兩側並不 對稱，上側的要凸些，而下側的則要平些。如下圖： 固定翼飛機機翼的流體力學效應 固定翼飛機飛行時，機翼在空氣中移動，也等於是空氣相對沿機翼流動。在 同樣的時間內，由於曲線長於直線，機翼上側的空氣比下側的空氣流過了較多的

路程，換而言之，機翼上側的空氣流動得比下側快。根據流體力學的伯努利方程， 我們可以得知流速高處壓力低，流速低處壓力高。機翼上下側的壓力差使飛機產 生了一個向上的升力。當飛機滑行到一定速度時，這個升力就足以與飛機自身重 力相當，飛機也就擁有了離開地面的力量。 1938年，另一種現今常見的飛行器一一直升機誕生了，第一架直升機由一 名德國姑娘試飛成功。直升機的機翼與固定翼飛機機翼產生升力的原理相同，只 不過它的機翼就是螺旋槳，稱為“旋翼”。旋翼在做圆周運動時，由於其半徑較 大，旋翼邊緣的線速度可以達到聲速，能夠產生很大的升力。與此同時，傾斜的 升力也有水平分量，從而推動機體前進，而它的方向則是靠尾槳控制的。直升機 擁有得天獨厚的優勢：可以做低空、低速的飛行，也無需大面積的起降場地。正 因為如此，它被人們所廣泛使用。 叶端轨连 (6)前飞 直升機的上升 直升機的前飛 近半個多世紀以來，人類的科技發展達到了前所未有的速度和高度。現如今， 我們已經能把航天器發射入更遙遠的太空，我們能熟練掌控航天器在空間中的運 行，我們能實現載人登月…我們瞭解飛的力量，運用飛的力量，使感知的世界 更加廣闊。人類的飛天萝想會是帶領我們走向強盛的推進器。 上海交通大學安泰經濟與管理學院 陳欣越 5111209068 2012.7

路程，換而言之，機翼上側的空氣流動得比下側快。根據流體力學的伯努利方程， 我們可以得知流速高處壓力低，流速低處壓力高。機翼上下側的壓力差使飛機產 生了一個向上的升力。當飛機滑行到一定速度時，這個升力就足以與飛機自身重 力相當，飛機也就擁有了離開地面的力量。 1938 年，另一種現今常見的飛行器——直升機誕生了，第一架直升機由一 名德國姑娘試飛成功。直升機的機翼與固定翼飛機機翼產生升力的原理相同，只 不過它的機翼就是螺旋槳，稱為“旋翼”。旋翼在做圓周運動時，由於其半徑較 大，旋翼邊緣的線速度可以達到聲速，能夠產生很大的升力。與此同時，傾斜的 升力也有水平分量，從而推動機體前進，而它的方向則是靠尾槳控制的。直升機 擁有得天獨厚的優勢：可以做低空、低速的飛行，也無需大面積的起降場地。正 因為如此，它被人們所廣泛使用。 直升機的上升 直升機的前飛 近半個多世紀以來，人類的科技發展達到了前所未有的速度和高度。現如今， 我們已經能把航天器發射入更遙遠的太空，我們能熟練掌控航天器在空間中的運 行，我們能實現載人登月……我們瞭解飛的力量，運用飛的力量，使感知的世界 更加廣闊。人類的飛天夢想會是帶領我們走向強盛的推進器。 上海交通大學 安泰經濟與管理學院 陳欣越 5111209068 2012.7