
飛機是衛星嗎?

用最好的現代科學技術製造的飛機通常裝載著巨大的噴氣發動機,但即使是這些強大的噴氣發動機也沒有足夠的推力直接提升飛機
“衛星可以繞地球運行而不會墜落,即使它們經過地球表面,但由於空氣阻力,這是不可能的,”我之前寫道。 那麼,通過加速使其不會因空氣阻力而減速,飛機繞地球運行的意義是否與衛星相同? 事實上,飛機之所以以恆定的速度飛行而不加速,即使它繼續噴射噴氣發動機,是因為噴氣發動機產生足夠的推力來平衡空氣阻力。 這似乎令人驚訝,但噴氣發動機的推力根本不作用於提升飛機的方向(即對抗重力)。 它只是在水準加速。 儘管它對垂直加速度沒有貢獻,但噴氣式飛機不會墜毀,因此認為「它不是抵消空氣阻力並成為人造衛星嗎?
不幸的是,事實並非如此。 如果沒有空氣,飛機成為衛星飛越地面所需的速度將高達每小時 28,500 公里。 當聲速轉換為小時速度時,這是大約1200 km / h速度的20倍以上,即20馬赫或更高的速度。 有人駕駛飛機的最高速度記錄據說是 6.7 馬赫,由一種名為 X-15 的美國高超音速飛機實現。
噴氣式客機作為衛星飛行所需的速度是人類無法達到的高度。 那麼,如果噴氣式客機沒有垂直推力,為什麼它可以繼續飛行而不會墜落呢? 這要歸功於機翼上的壓力(升力)(升力沒有出現在高中物理教科書中,但我們將繼續在這裡解釋)。 施加在機翼上的壓力之和與機翼面積成正比。 這就是為什麼噴氣式客機需要非常大的機翼。 要提升的重量與體積成正比,而提升飛機的升力與機翼面積成正比。 因此,飛機越大,機翼面積與機身相比越大,或者單位面積的升力越大。 如何在相同的機翼面積下增加升力? 事實上,眾所周知,機翼上每單位面積的升力與飛行速度的平方成正比。 如果你不能按重量成比例地增加機翼的尺寸,你別無選擇,只能提高飛行速度。
重型飛機必須以更高的速度飛行以支撐自身重量。 大型飛機,如大型噴氣式飛機,需要在長跑道上加速以獲得起飛所需的升力,以便舉起重型飛機。另一方面,較輕的塞斯納可以在低速時提供足夠的升力,以便在短跑道上起飛。
另一方面,飛機不能以他們想要的任何速度飛行。 如果你的飛行速度超過規定的速度,升力會變得太大,你會爬升,如果你以低於這個速度飛行,你會因為缺乏升力而墜落。 但是,這太不方便了,因此升力實際上是通過稍微向上傾斜飛機(迎角)來調整的。 當鼻子抬起時,升力增加,當鼻子降低時,升力減小。
所以,當你想高速飛行時,你稍微降低機頭,當你以較慢的速度飛行時,你抬起機頭。 因此,即使在水平飛行時,飛機的地板實際上也會略微傾斜。 如果您認為這是謊言,請在下次上飛機時隨身攜帶彈珠球或彈珠,然後輕輕地將其放在地板上。 你會看到球開始無聲地滾動。 作用在飛機機翼上的升力也被應用於其他事物。 例如,船的舵。 方向舵與行進方向成一定角度放置在板(=方向舵)上,以賦予船舶旋轉力並改變船舶的方向,但這對應於“如果你稍微向上轉動(飛機的機頭),即使速度慢也不會下降”的故事。 另外,所謂的螺旋槳和螺桿原理是一樣的。 在機翼和方向舵的情況下,是水和空氣在移動,但在螺旋槳和螺釘的情況下,唯一的區別是螺旋槳或螺釘在移動,水和空氣停止。
螺絲和螺旋槳在外觀上有很大區別。 為什麼? 是液體和氣體的區別嗎? 然而,風扇的葉片看起來更像是船的螺絲,而不是飛機的螺旋槳。 這不是氣體和液體之間的區別。 那麼有什麼區別呢? 答案是你是否要移動液體(氣體)之間的區別。 船的螺桿(或風扇葉片)的形狀很寬,呈螺旋狀,因此這樣做的目的是“移動”液體(氣體)。 在船舶螺旋槳的情況下,通過「移動」液體,船舶由於其後坐力而向前移動(困難的是動量是守恆的,因此如果船舶不通過向後移動的液體量向前移動,則在開始移動之前將與「零動量」狀態不一致),並且風扇正試圖用其葉片移動空氣。 那麼,為什麼飛機螺旋槳不採用這一原理(將氣體推出並隨著其後坐力向前移動)呢? 它在於“密度”的差異。 通過旋轉螺桿可以施加液體或氣體的速度是固定的。 然而,力不僅取決於液體或氣體的速度,還取決於其密度。
即使您以相同的速度推動液體或氣體並嘗試推進反應,當您推出密度比液體小得多(更輕)的氣體時,後坐力也會比將液體推出時的後坐力小得多。 當然,在這種情況下,最好以足夠快的速度旋轉螺桿來補償這一點,但不幸的是,液體和氣體之間的密度差異是 1,000 倍。 因此,如果可以在氣體中以比液體快 1,000 倍的速度旋轉螺桿,那麼從工程的角度來看,這並不容易。
結果,螺旋槳比螺釘更薄,並且形狀更容易更快地旋轉。 每轉可以“推出”的氣體量大大減少,但可以獲得足夠的推力,因為它可以以更高的速度旋轉。 “飛機螺旋槳”的形狀是有原因的,它與螺絲沒有任何相似之處。
船舶螺旋槳的轉速約為每秒1次,但即使在塞斯納飛機上,飛機螺旋槳的轉速也是每秒30~40次。 如果這還不夠,那麼與螺釘與船體尺寸的比率相比,塞斯納螺旋槳的尺寸遠大於機身的尺寸。
從「移動」的角度來看,空氣阻力和水阻力往往被認為是障礙(船舶不能快速運行的原因主要是由於水的阻力高),但在許多情況下,由於水和空氣的存在,它可以移動。 這個故事與這樣一個事實非常相似,即如果沒有摩擦,就不可能自己“行走”,因為它無法踢地。