伯努利原理指出,流体流动越快的地方,其压力越低。飞机机翼的形状使得流过弯曲上表面的空气比流过较平下表面的空气更快。
由于上方空气流得更快,其压力低于机翼下方的压力。这一压力差产生一个净向上的力,即升力,可大到足以托起整架飞机。把机翼稍微倾斜也会把空气向下偏转,增添升力。
同样的效应解释了为什么放水淋浴时浴帘会向内飘,以及为什么并排行驶的两艘船会被吸到一起。飞行员在起飞时加大速度并调整翼角,以提高升力。
在 SPM 中,你应把流速更快与压力更低联系起来,并用它解释升力及类似的日常现象。
常见误解
- 升力只来自空气撞击机翼底部 -> 很大一部分来自气流更快而使机翼上方压力更低。
- 流得快的空气压力更高 -> 伯努利原理指出流速越快压力越低。
- 机翼必须大幅倾斜才能飞 -> 配合成形的上表面,稍微倾斜即可;倾斜过大会使机翼失速。
背后的物理
伯努利原理指出,流体流动越快,压强越低。机翼(翼型)上表面弯曲、下表面较平,所以流过上表面的空气更快,其压强比机翼下方的压强更低。
机翼上下的压强差乘以机翼面积,就给出向上的升力:F = ΔP × A,其中压强以帕斯卡为单位(Pa = N m⁻²),面积以 m² 为单位。
对于面积 A = 30 m²、压强差 ΔP = 2000 Pa 的机翼,升力为 F = ΔP × A = 2000 Pa × 30 m² = 60000 N。让机翼稍微倾斜(迎角)也会把空气向下偏转,根据牛顿第三定律空气把机翼向上推,从而增加升力。
两种解释都重要:上方压强降低,以及下方空气向下偏转。升力随速度增大,所以飞机在跑道上加速,直到升力超过它的重量才能起飞。
在日常生活中看到它
把一张薄纸条拿到下唇下方,向纸条上方吹气。纸条的自由端不会下垂,反而会抬起。
你吹过上表面的快速空气压强比下方静止空气的压强低,所以下方较高的压强把纸抬起,这正是翼型原理的缩小版。
同样的效应会在放水淋浴时把浴帘往里吸:流动的水花降低了内侧的压强,浴室里静止空气较高的压强便把浴帘推进来。河中并排行驶的两艘船会被吸到一起,因为夹在它们之间的水流得更快,压强随之下降。
香水喷雾器和本生灯的进气孔也是同一道理:快速流动的空气或气体形成低压区,把液体或空气吸入。这些都不需要引擎从侧面推动;仅凭流体的运动就改变了压强,产生真实、可测量的力。
它在 SPM 中如何出现
本课题属于中五压强单元,归入伯努利原理及其应用。试卷二通常要求你先陈述(State)伯努利原理,再解释(Explain)翼型的形状如何通过把空气速度与机翼上下的压强联系起来产生升力。
附图题可能画出机翼上方更密的流线,要求你比较(Compare)上下压强,或标出升力的方向。
你可能被要求把升力与飞机起飞联系(Relate)起来,或解释另一个应用,例如本生灯、杀虫喷雾器或被吸进来的浴帘。相邻的内容标准包括液体压强、大气压强、气体压强和帕斯卡原理,所以定义、陈述、解释、联系等指令词贯穿整个单元。
只写空气更快而不指出由此产生的较低压强和向上的压强差,通常会失分,所以要把从速度到压强再到力的完整链条写全。
来源: DSKP KSSM Physics Form 4 and 5 (Versi English) (Bahagian Pembangunan Kurikulum (BPK), KPM)