中學(xué)物理知識(shí)在航空器中的簡(jiǎn)要分析

歐镕閣

摘要：近些年來(lái)，我國(guó)航空航天事業(yè)取得了突飛猛進(jìn)的發(fā)展，我國(guó)正在由航空航天大國(guó)到強(qiáng)國(guó)邁進(jìn)，與此同時(shí)，高考中也經(jīng)?？疾炫c航空航天科技前沿相關(guān)的中學(xué)物理知識(shí)，本文運(yùn)用中學(xué)物理知識(shí)簡(jiǎn)要分析航空器的構(gòu)造、起飛過(guò)程以及飛行過(guò)程。

關(guān)鍵詞：中學(xué)物理知識(shí) 航空器 仿生學(xué) 流體力學(xué)

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近五年來(lái)，中國(guó)的航空航天技術(shù)得得到了長(zhǎng)足的發(fā)展，殲20，殲30等戰(zhàn)斗機(jī)，還有C919大型飛機(jī)的相繼亮相，正說(shuō)明我國(guó)正在向航空強(qiáng)國(guó)邁進(jìn)，航空航天科技所涉及的物理學(xué)知識(shí)相當(dāng)復(fù)雜，有關(guān)的物理知識(shí)如流體力學(xué)中的航空動(dòng)力學(xué)還需要我們進(jìn)一步學(xué)習(xí)，但這些艱深物理知識(shí)都是建立在我們中學(xué)物理知識(shí)之上的，因此使用我們所學(xué)的中學(xué)物理知識(shí)簡(jiǎn)單分析航空器的構(gòu)造，飛行過(guò)程以及起飛過(guò)程也是有可能的，本文試作出以下分析。

一、航空器設(shè)計(jì)中來(lái)源于生活常識(shí)的物理知識(shí)分析

生活中我們不難發(fā)現(xiàn)許多自由翱翔的鳥(niǎo)類(lèi)，他們都是大自然鬼斧神工的杰作。而仿生學(xué)是一門(mén)專(zhuān)門(mén)模仿生物的特殊本領(lǐng)來(lái)設(shè)計(jì)并研制的學(xué)科。比如老鷹，人們發(fā)現(xiàn)它們?cè)陲w行中展開(kāi)翅膀向上偏折翅尖羽毛。有關(guān)專(zhuān)家提出在翼尖加裝短板來(lái)減小阻力的想法。后來(lái)，設(shè)計(jì)師們不斷研究，發(fā)明了翼尖小翼，并將其安裝在飛機(jī)上，取得了一定的效果。人們還通過(guò)研究蝙蝠在夜里飛行捕捉蚊子卻不和什么東西相撞的特性，通過(guò)實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，使用電子發(fā)出電磁波，同樣能達(dá)到這一效果，進(jìn)而出現(xiàn)、演變出雷達(dá)，.雷達(dá)通過(guò)天線發(fā)出無(wú)線電波，無(wú)線電波遇到障礙物就反射回來(lái)，經(jīng)過(guò)處理后顯示在熒光屏上。駕駛員從雷達(dá)的熒光屏上，能夠看清楚前方的障礙物。另外飛機(jī)在高速飛行的時(shí)候，機(jī)翼會(huì)發(fā)生顫振現(xiàn)象。也就是說(shuō)，飛機(jī)的翅膀會(huì)不由自主地振動(dòng)，這種有害的振動(dòng)可能造成翼折人亡的慘劇。但是蜻蜓在振翅飛行時(shí)，由于蜻蜓每一片翅膀前緣的上方，都有一塊加厚的深色角質(zhì)層或稱(chēng)色素斑，叫翅痣。研究表明這就是它們消除顫振隱患的特殊裝置?？茖W(xué)家們便在飛機(jī)機(jī)翼前端的邊緣，安裝了一塊長(zhǎng)方形的金屬板，稱(chēng)為抗震顫裝置，幫助人類(lèi)解決了這一問(wèn)題。

二、航空器起飛階段中的中學(xué)物理知識(shí)分析

全發(fā)起飛、單發(fā)失效繼續(xù)起飛、單發(fā)失效中斷起飛和全發(fā)工作中斷起飛機(jī)從靜止開(kāi)始，以全發(fā)啟動(dòng)為例，在發(fā)動(dòng)機(jī)推力的帶動(dòng)下，沿地面加速滑跑到一定速度時(shí)，飛行員開(kāi)始拉桿使飛機(jī)前輪離地。飛機(jī)前輪開(kāi)始離地瞬間具有的速度稱(chēng)為抬前輪速度（Vr），之后飛機(jī)速度和迎角不斷增加直至升力克服自身重力作用，飛機(jī)進(jìn)入離地爬升狀態(tài)。飛機(jī)離地瞬間具有的速度稱(chēng)為離地速度（Vlo），當(dāng)飛機(jī)距離機(jī)場(chǎng) 一定高度時(shí)，飛機(jī)完成全發(fā)起飛，此時(shí)飛機(jī)具有的速度稱(chēng)為起飛安全速度（V2）。全發(fā)起飛起飛總共分三個(gè)階段，全發(fā)工作地面加速滑跑階段，全發(fā)工作抬前輪階段、全發(fā)工作起飛空中段，以全發(fā)工作地面加速滑跑階段分析為例，簡(jiǎn)要用中學(xué)物理知識(shí)分析此過(guò)程如下：

如圖所示，機(jī)場(chǎng)跑道與水平面的夾角為α，飛機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)的推力與機(jī)場(chǎng)跑道之間的夾角為β，飛機(jī)起飛或中斷起飛過(guò)程中受到重力mg 發(fā)動(dòng)機(jī)推力P、升力L（v）（取決于速度v）、阻力D（v）、地面支持力N和摩擦力f，重力方向豎直向下，地面支持力垂直于跑道向上，對(duì)飛機(jī)進(jìn)行受力分析可得在垂直于機(jī)場(chǎng)跑道方向上：N+L（v）+Psinβ-mgcosα=0，在沿著跑道方向上：

Psinβ-D（v）-f-mgsinα=ma，解得：a=，如果飛機(jī)要獲得速度v0，加速時(shí)間為t，那么根據(jù)v=∫adt，可以解出所需時(shí)間t0。

三、航空器飛行過(guò)程中的中學(xué)物理知識(shí)分析

飛行中流體力學(xué)，是研究流體（液體和氣體）的力學(xué)運(yùn)動(dòng)規(guī)律及其應(yīng)用的學(xué)科。主要研究在各種力的作用下，流體本身的狀態(tài)，以及流體和固體壁面、流體和流體間、流體與其他運(yùn)動(dòng)形態(tài)之間的相互作用的力學(xué)分支。流體力學(xué)中研究得最多的流體是水和空氣。它的主要力學(xué)基礎(chǔ)是初中物理中的流體壓強(qiáng)以及高中物理中牛頓運(yùn)動(dòng)定律和動(dòng)量守恒定律。

飛機(jī)的供油系統(tǒng)與汽車(chē)和摩托車(chē)不同，不用油泵從油箱中向氣缸供油，而是依靠油的重力自動(dòng)從油箱流向氣缸。飛機(jī)在飛行過(guò)程中當(dāng)油箱中的油不多時(shí)，人們一般認(rèn)為要盡可能地加快速度飛行，以利用所剩余的油，但飛行員卻選擇減速飛行，這其中存在著中學(xué)物理原理。

如圖所示，為航空器的油箱，當(dāng)航空器以一定的加速度a航行時(shí)，對(duì)于相對(duì)平衡的流體來(lái)說(shuō)，受到重力mg，液體的壓力F，此時(shí)液面與水平面的夾角為α。

B和C時(shí)加速度較小的情況，而A是加速度較大的情況，當(dāng)油箱里面油較少時(shí)，加速度過(guò)大時(shí)，出現(xiàn)A中情況，當(dāng)加速度較小時(shí)出現(xiàn)B、C兩種情況，出現(xiàn)A種情況時(shí)，油箱里面的油無(wú)法流出，所以當(dāng)油箱里面顯示油量不多時(shí)，飛行員選擇減速而不是加速運(yùn)動(dòng)。

四、結(jié)語(yǔ)

本文主要利用所學(xué)到的中學(xué)物理知識(shí)分析航空器的結(jié)構(gòu)、起飛過(guò)程以及飛行過(guò)程，并在分析中列舉了實(shí)例，用中學(xué)物理知識(shí)分析復(fù)雜過(guò)程，需要我們有扎實(shí)的物理基礎(chǔ)并有很好的物理分析能力，因此我們要在學(xué)習(xí)物理的過(guò)程中多積累，多觀察分析，才能學(xué)以致用。

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（作者單位：鄭州一中）