論述航模制作中的物理學(xué)原理

航模制作是集多種學(xué)科為一體的活動(dòng)，是一項(xiàng)智力類的實(shí)踐活動(dòng)。實(shí)踐證明通過(guò)航模制作不僅可以提高自己的實(shí)踐動(dòng)手能力和創(chuàng)新能力，而且還可以磨練自己的意志、激發(fā)拼搏向上的積極性。隨著我國(guó)航天事業(yè)的不斷發(fā)展，我國(guó)航模制作者越來(lái)越多。制作航模需要了解航模制作的基本結(jié)構(gòu)及原理，因此利用多年的制作經(jīng)驗(yàn)，通過(guò)在學(xué)校航空模型社團(tuán)活動(dòng)中掌握的相關(guān)航模制作基本原理知識(shí)等，提出航模制作中所涉及到的物理原理，以此為其它航模制作者提供理論經(jīng)驗(yàn)參考，為我國(guó)航模制作事業(yè)的發(fā)展而做出自己的貢獻(xiàn)。

一、航模歷史發(fā)展

飛機(jī)模型是人類研制載人飛行器的重要手段，航模制作對(duì)普及航空知識(shí)、培養(yǎng)航空人才起著關(guān)鍵性的作用。我國(guó)航空模型一詞最早出現(xiàn)于1913年，在19世紀(jì)40年代我國(guó)航模運(yùn)動(dòng)得到發(fā)展并且在1947年舉辦了首屆航空模型比賽，1978年我國(guó)加入世界航空聯(lián)合會(huì)，標(biāo)志著我國(guó)航模運(yùn)動(dòng)正式走向世界。隨著我國(guó)航空職業(yè)的不斷發(fā)展，我國(guó)航模制作者的人數(shù)越來(lái)越多，例如在2018年舉辦的第二十屆“飛向北京” 全國(guó)青少年航空模型比賽中共有1700余名運(yùn)動(dòng)員、2275人次參賽，創(chuàng)新歷史之最。通過(guò)對(duì)航模比賽的研究，目前我國(guó)航模比賽的種類主要包括（見(jiàn)表1）：

二、航模制作所涉及的物理學(xué)原理

航模制作的過(guò)程是應(yīng)用各種學(xué)科知識(shí)的過(guò)程，尤其是在航模制作的過(guò)程中需要涉及到較多的物理學(xué)原理。結(jié)合近些年對(duì)航模制作過(guò)程的研究，其所涉及的物理學(xué)知識(shí)主要集中在以下幾個(gè)方面：

（一）航模外形與空氣阻力

事物在運(yùn)動(dòng)的過(guò)程中受到的空氣作用力在運(yùn)動(dòng)方向的分力稱之為空氣阻力。物理學(xué)原理表明任何事物在運(yùn)動(dòng)的過(guò)程中都會(huì)受到空氣阻力的影響，空氣阻力公式原理說(shuō)明物體的速度低于200米/秒時(shí)，可認(rèn)為阻力與物體速度大小的平方成正比;速度達(dá)到400～600米/秒時(shí)，空氣阻力和速度大小的三次方成正比;在速度很大的情況下，阻力與速度大小的高次方成正比。因此如何降低空氣阻力是航模制作者所需要面臨的主要問(wèn)題之一。物理學(xué)原理告知我們水滴狀的形狀能夠適應(yīng)空氣動(dòng)力學(xué)，因?yàn)樗谓德涞臓顟B(tài)所受到空氣阻力的影響最小，這樣可以提高航模飛行速度。但是由于我們?cè)谥谱骱侥＿^(guò)程中基于技術(shù)、材料等因素的影響并不能將航模外形設(shè)計(jì)成水滴形狀。對(duì)此我們可以借鑒水滴降落狀態(tài)的原理，結(jié)合汽車流水線設(shè)計(jì)方法，在航模外形設(shè)計(jì)上采取流線化的制作工藝手段。采取流線化的外觀設(shè)計(jì)可以減少空氣的阻力，其原理主要是：利用空氣的流動(dòng)原理，考慮到影響空氣流動(dòng)的因素，采取降低空氣阻力的設(shè)計(jì)方案。通過(guò)與指導(dǎo)教師、同學(xué)之間的交流采取流水性的外觀設(shè)計(jì)方案。在航模制作的過(guò)程中利用3D打印技術(shù)設(shè)計(jì)出較為光滑的平滑界面，這樣當(dāng)航模在飛行的過(guò)程中遇到空氣阻力時(shí)就會(huì)借助平滑界面的優(yōu)勢(shì)將空氣阻力降低到最小，降低破壞性旋渦的出現(xiàn)，實(shí)現(xiàn)航模飛行速度的穩(wěn)定。同時(shí)還要通過(guò)襟翼設(shè)計(jì)將航模飛行中所遇到的流動(dòng)空氣“鏟除”到上方，以此減少空氣向下的壓力，通過(guò)作用力與反作用力保證航模向上的飛行力。

（二）外形與物體分割關(guān)系

航模外凸會(huì)增加空氣阻力，因此在航模制作的過(guò)程中盡可能的將航模外觀設(shè)計(jì)的簡(jiǎn)單些，尤其是對(duì)于邊角突出的部分要進(jìn)行磨圓處理，以此減少空氣阻力。當(dāng)然航模飛行的過(guò)程中會(huì)因?yàn)樗俣鹊牟煌鴮?duì)大氣造成影響，進(jìn)而會(huì)直接干擾到航模的飛行速度。例如當(dāng)航模飛行速度低于影響流體流速時(shí)，就不會(huì)產(chǎn)生漩渦，進(jìn)而航模的流動(dòng)損耗就會(huì)小，反之則反之。因此在航模制作的過(guò)程中必須要考慮到飛行流速對(duì)大氣層的影響，具體到航模制作中則需要對(duì)航模機(jī)翼的迎角進(jìn)行設(shè)計(jì)，如果迎角過(guò)大則會(huì)直接導(dǎo)致大氣流體被分割，進(jìn)而產(chǎn)生下壓力，導(dǎo)致航模飛行速度下降。

（三）空氣動(dòng)力學(xué)知識(shí)

航模制作過(guò)程中必須要考慮到空氣阻力對(duì)航模升高的影響，一般航模升高裝置主要包括縫翼、導(dǎo)流片等，其外形較為復(fù)雜。根據(jù)相關(guān)資料，航模阻力主要包括壓阻、波阻以及誘導(dǎo)阻力等等。因此在航模設(shè)計(jì)中需要應(yīng)用到物理公式“P=F/S ”。根據(jù)該公式可以看出航模機(jī)翼部分的面積越大其所受到的力就會(huì)越大。因此為了提高航模的升高速度，降低空氣阻力采取增加航模機(jī)翼面積的方式提升航模的性能。另外根據(jù)伯努利定理原理（體積一定的流體具有能量守恒的特點(diǎn)），因此根據(jù)該原理，在不改變空氣流動(dòng)方向的前提下，如何保證航模飛行的穩(wěn)定性是航模制作者所必需要面臨的問(wèn)題。例如在實(shí)踐中經(jīng)常出現(xiàn)航模飛行到一定高度后會(huì)出現(xiàn)搖擺等現(xiàn)象，因此經(jīng)過(guò)與其他同學(xué)的探討分析后，決定在機(jī)翼表面設(shè)計(jì)上入手：一方面增加機(jī)翼的表面面積。另一方面要優(yōu)化機(jī)翼結(jié)構(gòu)。機(jī)翼上采取彎曲設(shè)計(jì)，機(jī)翼下表面采取平直設(shè)計(jì)的方案。這樣可以保證空上表面的流動(dòng)路徑要長(zhǎng)于下表面空氣流動(dòng)路徑，有效地避免了空氣阻力影響。最重要的是通過(guò)此種設(shè)計(jì)可以在不改變空氣流動(dòng)的情況下，實(shí)現(xiàn)了大氣壓的下降，進(jìn)而使得航模機(jī)翼上下表面產(chǎn)生不同的大氣壓，產(chǎn)生的大氣壓可以保證航模重力平衡，有效解決了航模在高空中出現(xiàn)的上下?lián)u晃的現(xiàn)象。

三、結(jié)語(yǔ)

綜上所述，航模制作是融合多個(gè)物理學(xué)原理知識(shí)的智力類實(shí)踐活動(dòng)，通過(guò)航模制作不僅可以鞏固學(xué)生的物理知識(shí)，而且還可以增強(qiáng)學(xué)生之間的團(tuán)結(jié)互助、積極拼搏的精神。航模制作的過(guò)程是不斷創(chuàng)新的過(guò)程，需要學(xué)生要靈活應(yīng)用物理學(xué)原理知識(shí)，結(jié)合實(shí)踐創(chuàng)造經(jīng)驗(yàn)不斷進(jìn)行數(shù)據(jù)計(jì)算和操作改進(jìn)?？傊ㄟ^(guò)制作航模使我深深地認(rèn)識(shí)到物理學(xué)知識(shí)的重要性，我們要想創(chuàng)造出更完善的航模就必須要加強(qiáng)學(xué)習(xí)，端正學(xué)習(xí)態(tài)度，提高動(dòng)手能力，以此為我國(guó)航模事業(yè)而貢獻(xiàn)自己的力量。

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（作者簡(jiǎn)介：鄭雨昆，現(xiàn)就讀于石家莊精英中學(xué)高三A7班。）