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如何向孩子解釋「為什麽飛機能飛上天」?

2021-11-20親子

用牛頓第一和第三運動定律來解釋。

【實驗一】用手托起一個蘋果跑動,突然停步。蘋果在空中往前滑行了一段,但終於還是掉在了地上。這說明,蘋果能否保持在空中一定的高度,跟水平方向的力無關,只取決於垂直方向的力。

地球上的萬物都承受地球的重力。蘋果能停留在空中,是因為還有一個與重力方向相反、大小相等的「托力」作用於它。兩力相抵消。施加在蘋果垂直方向上的凈力為零,它就在這個方向上保持不動。托力大於重力時它就往上升,反之就往下落。

【實驗二】穿上旱冰鞋的兩個小朋友一前一後站好,後邊的小朋友甲雙手用力推前面乙的後背,乙被甲推開,甲自己也會同時向後滑開。這說明,力的作用是相互的。有一個向前的推力,就會有一個向後的反作用力。把方向改成上下也是如此。在沙坑或雪堆裏向上跳,起跳的地方就會留下比站立時更深的腳印。說明,是因為你用力把沙子往下推,沙子的反作用力才把你彈起來的。

【實驗三】吹圓一個氣球。將其舉到高處放開,它會向地面下落。說明它比同等體積的空氣重。然後解開氣球口,氣球會向氣流噴出的相反方向飛出。氣球靠自身的張力推開空氣時,空氣的反作用力會把氣球向相反的方向推走,盡管氣球比空氣重。

【實驗四】雙手撚撮,放飛一個竹蜻蜓。然後再快速撚撮卻不放開,讓小朋友感受一下,轉動的葉片所形成的氣流。然後仔細觀察竹蜻蜓的葉片。那不過就是兩個長方形的傾斜扁片連在一個軸上而已。所謂傾斜,也就是,從側面看,葉片的前進方向跟葉片的面有一個夾角。這個夾角就是所謂的飛行攻角(angle of attack)。這個角度為正時,竹蜻蜓才會上升。如果讓竹蜻蜓反轉,攻角為負,它就會加速下落。這不難理解,有攻角的葉片轉動起來會推開空氣。推對了方向,空氣的反作用力就向上;推錯了方向,反作用力就向下。而沒有攻角時,空氣的反作用力就既不上也不下,而是跟葉片運動方向相反的後。老式飛機的機翼都有一個向上微微仰起的正向攻角,所以說,飛機飛升的原理跟直升機飛升的原理本質上是一樣的。下一個問題就是,這個所謂的攻角到底把空氣推向哪裏了呢?

【實驗五】

把手機豎著舉到胸前,然後微微傾斜,使螢幕與垂直於地面的方向形成一個夾角。然後把一些米粒或豆子從手機上方撒落下來。觀察米粒撞到螢幕後的運動軌跡。你會發現,米粒會順著螢幕的面改變方向——好比手機下緣向左傾斜時,撞上去的米粒也會向左滑落——多新鮮哪!欸,道理就在這兒呢!我們不去管米粒垂直方向的運動。只看它在水平方向有沒有位移。它往左偏了,就說明手機螢幕給了它←的推力,那麽它對手機的反作用力中就一定有一個→的推力。

如圖,空氣中的一個分子朝著機翼向右飛來(運動是相對的),撞到機翼後轉而向右下飛去。說明機翼對它施加了向下的推力。那麽它對機翼就同時有一個向上的反作用的「托力」。

【實驗六】打水漂其實也是這個道理……