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如何向孩子解释「为什么飞机能飞上天」?

2021-11-20亲子

用牛顿第一和第三运动定律来解释。

【实验一】用手托起一个苹果跑动,突然停步。苹果在空中往前滑行了一段,但终于还是掉在了地上。这说明,苹果能否保持在空中一定的高度,跟水平方向的力无关,只取决于垂直方向的力。

地球上的万物都承受地球的引力。苹果能停留在空中,是因为还有一个与重力方向相反、大小相等的「托力」作用于它。两力相抵消。施加在苹果垂直方向上的净力为零,它就在这个方向上保持不动。托力大于重力时它就往上升,反之就往下落。

【实验二】穿上旱冰鞋的两个小朋友一前一后站好,后边的小朋友甲双手用力推前面乙的后背,乙被甲推开,甲自己也会同时向后滑开。这说明,力的作用是相互的。有一个向前的推力,就会有一个向后的反作用力。把方向改成上下也是如此。在沙坑或雪堆里向上跳,起跳的地方就会留下比站立时更深的脚印。说明,是因为你用力把沙子往下推,沙子的反作用力才把你弹起来的。

【实验三】吹圆一个气球。将其举到高处放开,它会向地面下落。说明它比同等体积的空气重。然后解开气球口,气球会向气流喷出的相反方向飞出。气球靠自身的张力推开空气时,空气的反作用力会把气球向相反的方向推走,尽管气球比空气重。

【实验四】双手捻撮,放飞一个竹蜻蜓。然后再快速捻撮却不放开,让小朋友感受一下,转动的叶片所形成的气流。然后仔细观察竹蜻蜓的叶片。那不过就是两个长方形的倾斜扁片连在一个轴上而已。所谓倾斜,也就是,从侧面看,叶片的前进方向跟叶片的面有一个夹角。这个夹角就是所谓的飞行攻角(angle of attack)。这个角度为正时,竹蜻蜓才会上升。如果让竹蜻蜓反转,攻角为负,它就会加速下落。这不难理解,有攻角的叶片转动起来会推开空气。推对了方向,空气的反作用力就向上;推错了方向,反作用力就向下。而没有攻角时,空气的反作用力就既不上也不下,而是跟叶片运动方向相反的后。老式飞机的机翼都有一个向上微微仰起的正向攻角,所以说,飞机飞升的原理跟直升机飞升的原理本质上是一样的。下一个问题就是,这个所谓的攻角到底把空气推向哪里了呢?

【实验五】

把手机竖着举到胸前,然后微微倾斜,使屏幕与垂直于地面的方向形成一个夹角。然后把一些米粒或豆子从手机上方撒落下来。观察米粒撞到屏幕后的运动轨迹。你会发现,米粒会顺着屏幕的面改变方向——好比手机下缘向左倾斜时,撞上去的米粒也会向左滑落——多新鲜哪!欸,道理就在这儿呢!我们不去管米粒垂直方向的运动。只看它在水平方向有没有位移。它往左偏了,就说明手机屏幕给了它←的推力,那么它对手机的反作用力中就一定有一个→的推力。

如图,空气中的一个分子朝着机翼向右飞来(运动是相对的),撞到机翼后转而向右下飞去。说明机翼对它施加了向下的推力。那么它对机翼就同时有一个向上的反作用的「托力」。

【实验六】打水漂其实也是这个道理……