沙塵暴與飛機(jī)能飛的共同點(diǎn)

王智超

摘 要：對(duì)于沙塵暴以及飛機(jī)能飛，我們可以從微觀上去對(duì)兩者進(jìn)行分析，通過(guò)分析能夠發(fā)現(xiàn)沙塵暴與飛機(jī)能飛存在著一定的共同點(diǎn)。文中，主要就對(duì)沙塵暴與飛機(jī)能飛的共同點(diǎn)進(jìn)行了分析。

關(guān)鍵詞：沙塵暴;飛機(jī)能飛;壓力;壓強(qiáng)

中圖分類(lèi)號(hào)：V328 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1671-2064（2020）06-0237-02

伯努利原理指出：流體的壓力會(huì)隨著速度的增加而減少，反之亦然，宏觀是這樣的。從微觀上看，要怎么解釋壓強(qiáng)變化和速度的關(guān)系吶。就拿大氣來(lái)說(shuō)，大氣壓強(qiáng)的定義是指大氣對(duì)浸在它里面的物體產(chǎn)生的壓強(qiáng)。大氣壓強(qiáng)用分子運(yùn)動(dòng)的觀點(diǎn)解釋因?yàn)闅怏w是由大量的做無(wú)規(guī)則運(yùn)動(dòng)的分子組成，而這些分子必然要對(duì)浸在空氣中的物體不斷地發(fā)生碰撞.每次碰撞，氣體分子都要給予物體表面一個(gè)沖擊力，大量空氣分子持續(xù)碰撞的結(jié)果就體現(xiàn)為大氣對(duì)物體表面的壓力，從而形成大氣壓。若單位體積中含有的分子數(shù)越多，則相同時(shí)間內(nèi)空氣分子對(duì)物體表面單位面積上碰撞的次數(shù)越多，因而產(chǎn)生的壓強(qiáng)也就越大。

1分子運(yùn)動(dòng)輪解釋大氣壓下高上低

利用分子運(yùn)動(dòng)論的觀點(diǎn)可以解釋?zhuān)簽槭裁创髿鈱硬痪鶆蚍植迹茉斐纱髿鈮合赂呱系偷默F(xiàn)象。

這里分子運(yùn)動(dòng)論對(duì)壓強(qiáng)的解釋其實(shí)有一個(gè)特定的前提條件：空間內(nèi)的空氣分子都在做無(wú)規(guī)則運(yùn)動(dòng)，而且沒(méi)有任何趨勢(shì)。在宏觀看就是一定空間內(nèi)處于無(wú)風(fēng)狀態(tài)，所測(cè)得大氣壓的值。

那在有風(fēng)的情況下所測(cè)得壓強(qiáng)的數(shù)值為什么會(huì)變小吶，分子運(yùn)動(dòng)論要怎么解釋這個(gè)現(xiàn)象吶。因?yàn)榉肿佣荚谧鰺o(wú)規(guī)則運(yùn)動(dòng)，太過(guò)于復(fù)雜，所以要簡(jiǎn)化分子運(yùn)動(dòng)模型才會(huì)更加直觀的解釋壓強(qiáng)和速度的關(guān)系。空間內(nèi)的分子可以看做是無(wú)數(shù)層分子的疊加，就像一摞書(shū)，我們現(xiàn)在只要其中的一頁(yè)，這就相當(dāng)于三維空間的現(xiàn)象我們簡(jiǎn)化成二維來(lái)解釋?zhuān)廊灰先S的情況。在二維的世界里，分子依然做無(wú)規(guī)則的運(yùn)動(dòng)，同時(shí)分子間的運(yùn)動(dòng)是一種動(dòng)平衡的狀態(tài)，所以還需要繼續(xù)簡(jiǎn)化，在無(wú)數(shù)種的可能性中我們只看其中的一種動(dòng)平衡，最后簡(jiǎn)化的模型如圖1所示。

最后的模型在宏觀里還是表現(xiàn)為無(wú)風(fēng)的狀態(tài)（如圖1），現(xiàn)在假設(shè)部分分子隨風(fēng)而動(dòng)（如圖2），向上箭頭就是風(fēng)的方向，而這兩排分子受到這個(gè)方向的推力，根據(jù)力的合成和分解都遵從平行四邊形法則，那么單個(gè)分子力的方向發(fā)生改變（如圖3），但是F1，F(xiàn)2合力的方向遵從平行四邊形法則，而力的大小沒(méi)有改變（猜想：分子力特性，符合牛頓第一定律），即F2=F合。而合力的分力嚴(yán)格遵從平行四邊形法則，由此會(huì)得到分力，可以看出由于風(fēng)力的加入，合力的水平分力比F2的力要小，此時(shí)測(cè)量壓力就會(huì)顯示數(shù)值變小，風(fēng)力越大，R1越小，合力的水平分力也會(huì)越小。在宏觀上就表現(xiàn)為伯努利原理：流體的壓力會(huì)隨著速度的增加而減小，反之亦然[1]。

當(dāng)合力的水平分力減小后，與之相鄰分子的水平力沒(méi)有改變，原先的平衡被打破后，則圖2左側(cè)的分子會(huì)向右側(cè)移動(dòng)，宏觀所看到的就是高壓流體會(huì)向低壓移動(dòng)。

2對(duì)沙塵暴是怎么刮起來(lái)的解釋

明白最根本原理，就能解釋生活中的很多問(wèn)題?；氐筋}目沙塵暴是怎么刮起來(lái)的，沙子雖然顆粒比較小，但它是固體能漂浮在空中也不容易，所以沙塵暴的前提條件就是要風(fēng)大，風(fēng)吹動(dòng)沙子在沙漠里流動(dòng)，遇到沙丘一樣的上坡時(shí)，由于速度很快，沙子就會(huì)脫離地面飄在空中，這是第一步，大氣的另外一個(gè)特點(diǎn)就是海拔越高風(fēng)越大，風(fēng)越大底部的氣體就會(huì)向上移動(dòng)，包括沙子在內(nèi)被一起帶到高空。有一點(diǎn)要說(shuō)明的，風(fēng)力夠大才能形成足夠的壓力差，這個(gè)壓力差一定大于沙子的重力才會(huì)被帶到高空，到最后就形成了漫天黃沙，這是主因，但其他原因也會(huì)造成沙塵攪動(dòng)，比如亂流，這里就不做深入研究了，只是簡(jiǎn)單說(shuō)明一下。科學(xué)防沙：防風(fēng)固沙，這點(diǎn)就是對(duì)第一步的干預(yù)，植樹(shù)造林就是減少沙子流動(dòng)，樹(shù)木也能減小靠近地面的風(fēng)速，從而有效減少沙塵暴的出現(xiàn)。

3對(duì)飛機(jī)起飛的解釋

同樣想在微觀解釋飛機(jī)能飛的根本原因，首先要明白空氣在經(jīng)過(guò)機(jī)翼過(guò)程中，各種力的變化。這個(gè)要比沙塵暴原理復(fù)雜得多，飛機(jī)的機(jī)翼上方有一種特殊的凸起，專(zhuān)業(yè)術(shù)語(yǔ)成為翼型，因?yàn)檫@種彎曲的存在，與流經(jīng)機(jī)翼平坦下表面的空氣相比，流經(jīng)彎曲上邊面的空氣速度更快。還有類(lèi)對(duì)稱(chēng)翼形的飛機(jī)（起頂部和底部的曲率相當(dāng)），水平狀態(tài)流經(jīng)空氣時(shí)，上下機(jī)翼幾乎沒(méi)有速度差的存在。很明顯要想解釋速度差的存在，與機(jī)翼橫截面形狀密不可分。大氣的分子永遠(yuǎn)在做無(wú)規(guī)則運(yùn)動(dòng)，所以還需要簡(jiǎn)化模型來(lái)加以解釋?zhuān)驗(yàn)槭菣C(jī)翼和空氣的相對(duì)運(yùn)動(dòng)而產(chǎn)生的速度，所以模型可以看成是空氣分子不動(dòng)（指：?jiǎn)蝹€(gè)分子在活動(dòng)范圍內(nèi)處于動(dòng)態(tài)平衡），只有飛機(jī)在動(dòng)，其實(shí)在宏觀世界里就是飛機(jī)在沒(méi)有風(fēng)的情況下起飛[2]。簡(jiǎn)化的模型也就符合事實(shí)，放大在二維世界中的空氣分子依然有無(wú)數(shù)種動(dòng)態(tài)平衡，現(xiàn)在把空氣分子簡(jiǎn)化為只有上下左右的動(dòng)態(tài)平衡，機(jī)翼在靜止時(shí)受到個(gè)方向的力相同，所以各方的力都是動(dòng)態(tài)平衡的。飛機(jī)開(kāi)始向前滑行時(shí)最前端的分子受到機(jī)翼擠壓，上端分子被迫沿著機(jī)翼開(kāi)始向上移動(dòng)，從前端到最高點(diǎn)一直在擠壓，力是相互的，所以上端分子也對(duì)機(jī)翼產(chǎn)生向下的壓力，這就使得垂直的分子密度加大，宏觀表現(xiàn)為壓強(qiáng)變大，分子到達(dá)最高點(diǎn)后，依然受到上面分子的擠壓，最下面的分子會(huì)繼續(xù)沿著機(jī)翼表面向下移動(dòng)直到機(jī)翼末端，這個(gè)過(guò)程中分子上下移動(dòng)的速度沒(méi)有變，但由于高低落差加大，導(dǎo)致與機(jī)翼的撞擊頻率減少，從而這段位置機(jī)翼所受的壓強(qiáng)變小。機(jī)翼下端分子因?yàn)闄C(jī)翼底面是平的，所以從剛開(kāi)始到末端，分子沒(méi)有發(fā)生位移，到最后和上面分子重新匯合（如圖4）。

這個(gè)過(guò)程空氣分子在水平方向一直處于平衡狀態(tài)，所以這個(gè)過(guò)程可以比喻為兩個(gè)輪子挨著，兩個(gè)輪子上都安裝有彈簧（彈簧就是垂直疊加的分子），彈簧是固定的，輪子只是上下移動(dòng)，機(jī)翼將從兩個(gè)輪子中間穿過(guò)，這個(gè)過(guò)程中輪子受力的變化，近似空氣分子的變化。整過(guò)過(guò)程從開(kāi)始到最后有一個(gè)比較有意思的現(xiàn)象，就是上下分子走的距離不一樣，但是所花時(shí)間卻是一樣的，根據(jù)速度公式v=s/t，S1>S2，T1=T2所以V1>V2，這個(gè)結(jié)果就和實(shí)驗(yàn)所得的結(jié)果一致，機(jī)翼表面的速度差就是這樣形成的。但是上端分子在運(yùn)動(dòng)到最高點(diǎn)之前，是有向下的壓力，這部分壓力會(huì)抵消掉一部分升力，上機(jī)翼總的壓力減小值應(yīng)該是后段的壓力減小變化值減去前段壓力增加變化值所求的值，所以就算在同樣的S1.S2條件下，最高點(diǎn)位置不同，升力也會(huì)不一樣，在同樣的速度和方向下，升力為1>2>3（如圖5：理論應(yīng)該1為升力，2的升力為0，3的升力為負(fù)數(shù)）。

上表面凸起翼型類(lèi)飛機(jī)的升力原理就是這樣的，雖然有速度差變化，但速度差只是翼型類(lèi)飛機(jī)的特點(diǎn)和現(xiàn)象，不是升力的本質(zhì)。還有一類(lèi)對(duì)稱(chēng)翼型飛機(jī)，或是上表面和下表面均為平坦翼型飛機(jī)，必須借助一定角度來(lái)提供升力，宏觀適用于牛頓的作用力和反作用力原理。微觀世界機(jī)翼下表面其實(shí)就是上面講的分子從開(kāi)始到到最高點(diǎn)的過(guò)程，產(chǎn)生的高壓區(qū)。機(jī)翼上表面壓力變化類(lèi)似于后半段分子從最高點(diǎn)到最低點(diǎn)的過(guò)程，落差導(dǎo)致壓力減小。機(jī)翼下方的空氣分子密度加大，機(jī)翼上方的空氣密度變小，形成壓力差，使得下方對(duì)機(jī)翼的壓力大于上方對(duì)機(jī)翼的壓力，從而產(chǎn)生升力，使飛機(jī)也能飛起來(lái)。但兩類(lèi)機(jī)翼還是各有特點(diǎn)，在相同橫截面積的前提下，可以看得出這類(lèi)飛機(jī)升力的效率更高，但在控制方面還是翼型類(lèi)飛機(jī)更加穩(wěn)一些，精度更高些。

明白飛機(jī)升力的原理后，想讓上凸翼型飛機(jī)提高升力，就是增加速度差（增加動(dòng)力。在一定范圍增加上表面與下表面的長(zhǎng)度差，）減小前端到最高點(diǎn)產(chǎn)生的向下壓力，增加下表面面積（面積增加，所受分子力就更大）。對(duì)于對(duì)稱(chēng)類(lèi)飛機(jī)要想增加升力，在一定范圍內(nèi)增加仰角，增加動(dòng)力，提高速度，增加底面面積[3]。

只要符合升力原理，在怪異的飛機(jī)也能飛上天飛機(jī)在現(xiàn)實(shí)中遇到的情況，比理論復(fù)雜多了，受到其他力的干擾也很大，當(dāng)然也就比沙塵暴復(fù)雜得多。最后想說(shuō)，微觀世界的現(xiàn)象很多就是宏觀現(xiàn)象的本質(zhì)。

參考文獻(xiàn)

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[3] 婁東杰.飛機(jī)起飛重量錯(cuò)誤風(fēng)險(xiǎn)分析及控制[D].天津：中國(guó)民航大學(xué)，2016.