歐镕閣

摘要：近些年來，我國航空航天事業(yè)取得了突飛猛進(jìn)的發(fā)展，我國正在由航空航天大國到強(qiáng)國邁進(jìn)，與此同時，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，本文運(yùn)用中學(xué)物理知識簡要分析航空器的構(gòu)造、起飛過程以及飛行過程。

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

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近五年來，中國的航空航天技術(shù)得得到了長足的發(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，正說明我國正在向航空強(qiáng)國邁進(jìn)，航空航天科技所涉及的物理學(xué)知識相當(dāng)復(fù)雜，有關(guān)的物理知識如流體力學(xué)中的航空動力學(xué)還需要我們進(jìn)一步學(xué)習(xí)，但這些艱深物理知識都是建立在我們中學(xué)物理知識之上的，因此使用我們所學(xué)的中學(xué)物理知識簡單分析航空器的構(gòu)造，飛行過程以及起飛過程也是有可能的，本文試作出以下分析。

一、航空器設(shè)計中來源于生活常識的物理知識分析

生活中我們不難發(fā)現(xiàn)許多自由翱翔的鳥類，他們都是大自然鬼斧神工的杰作。而仿生學(xué)是一門專門模仿生物的特殊本領(lǐng)來設(shè)計并研制的學(xué)科。比如老鷹，人們發(fā)現(xiàn)它們在飛行中展開翅膀向上偏折翅尖羽毛。有關(guān)專家提出在翼尖加裝短板來減小阻力的想法。后來，設(shè)計師們不斷研究，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)通過天線發(fā)出無線電波，無線電波遇到障礙物就反射回來，經(jīng)過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)在高速飛行的時候，機(jī)翼會發(fā)生顫振現(xiàn)象。也就是說，飛機(jī)的翅膀會不由自主地振動，這種有害的振動可能造成翼折人亡的慘劇。但是蜻蜓在振翅飛行時，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，安裝了一塊長方形的金屬板，稱為抗震顫裝置，幫助人類解決了這一問題。

二、航空器起飛階段中的中學(xué)物理知識分析

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)從靜止開始，以全發(fā)啟動為例，在發(fā)動機(jī)推力的帶動下，沿地面加速滑跑到一定速度時，飛行員開始拉桿使飛機(jī)前輪離地。飛機(jī)前輪開始離地瞬間具有的速度稱為抬前輪速度（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為離地速度（Vlo），當(dāng)飛機(jī)距離機(jī)場 一定高度時，飛機(jī)完成全發(fā)起飛，此時飛機(jī)具有的速度稱為起飛安全速度（V2）。全發(fā)起飛起飛總共分三個階段，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，簡要用中學(xué)物理知識分析此過程如下：

如圖所示，機(jī)場跑道與水平面的夾角為α，飛機(jī)發(fā)動機(jī)的推力與機(jī)場跑道之間的夾角為β，飛機(jī)起飛或中斷起飛過程中受到重力mg 發(fā)動機(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，對飛機(jī)進(jìn)行受力分析可得在垂直于機(jī)場跑道方向上：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，加速時間為t，那么根據(jù)v=∫adt，可以解出所需時間t0。

三、航空器飛行過程中的中學(xué)物理知識分析

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)動定律和動量守恒定律。

飛機(jī)的供油系統(tǒng)與汽車和摩托車不同，不用油泵從油箱中向氣缸供油，而是依靠油的重力自動從油箱流向氣缸。飛機(jī)在飛行過程中當(dāng)油箱中的油不多時，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，對于相對平衡的流體來說，受到重力mg，液體的壓力F，此時液面與水平面的夾角為α。

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

四、結(jié)語

本文主要利用所學(xué)到的中學(xué)物理知識分析航空器的結(jié)構(gòu)、起飛過程以及飛行過程，并在分析中列舉了實(shí)例，用中學(xué)物理知識分析復(fù)雜過程，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）