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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

知乎上类似的回答有上千条了。

但大部分是错的。

原因是绝大部分学校里的老师被灌输了错误的知识,然后又灌输给下一代。

本来不想回答这个老生常谈的问题,但为了不让云南彝良武内小学的李兴富同学和其它同学被错的知识误导,只能再来回答一次。

虽然小朋友还不明白什么是「伯努利效应」,但大人应该知道:

「机翼上面比下面的路程更长」并不是飞机能飞上天的原因!

关于伯努利效应让飞机飞起来的错误说法:翼型产生升力,是因为它顶部弯曲,底部扁平。上表面弧度更大路程长,为了能和下表面的空气同时到达尾部,所以速度更快,按照伯努利效应,速度越快,压强越小。因而此时飞机会有一个向上的升力合力,使得飞机可以离开地面,在空中飞行

如果再有人提「机翼上表面路径比下表面更长」,你就问他:如果是因为机翼上下路程差产生了升力,那为什么飞机可以倒过来飞呢?

也解释不了下面这样的超临界翼型的飞机,为了减阻,其下表面的长度实际上是比上表面还长的。

那如何和小朋友正确的解释呢?

小朋友还无法理解攻角迎角、合力、机翼投影面积等一大堆术语。那怎么办?

虽然飞行是一门很复杂的学科,但也可以简单的来解释。先看下面的图。在两个滑板车上,两个小朋友互相用力一推,会发生什么?

对,他们会被推开,左边的小朋友向左滑走,右边的小朋友向右滑走。(牛顿第三定律)

如果小朋友很用力的推,那他们滑走的速度就会很快。如果轻轻的推,滑走的速度就会很慢。同样的道理。如果你在一个小船上,向后很用力的扔出一个苹果,那你和小船就会向前移动一点点。

飞机也是同样的道理。它通过一系列的设计,使得可以一边飞一边将很多很多的空气向下「扔」,这样它就像扔了苹果的你一样,有了向上的力量(以抵抗重力)。

图-95 战略轰炸机 及其向下排出的气流(尾流清晰的展示出下降空气和未扰动空气之间的边界)

上面图中是一架巨大的图95轰炸机平飞过一大片云,因为它把大量的空气向下扔,所以它飞过的地方的云都被向下的空气吹低了,形成了一个深深的长条形的云坑。这空气有多少呢?大概每秒要向下排9万立方米。小朋友可能不知道9万立方是什么概念。彝良最大的一条河是洛泽河,你把它堵住一个小时攒下来的水差不多就是9万立方米 [1]

因为飞机非常非常的重,而排下来的空气又非常非常的轻,所以必须要排非常多的空气才能让飞机保持在空中。

如果这个说法还是比较难以理解,可以想象一下你在水里游泳时踩水的时候(如果你还不会踩水,可以去问问身边会踩水的小伙伴)。你只有不停的向下踩水,才能相对稳定的浮在水面上。事实上,任何物体要想在空中浮着,也必须要用某种力量将空气向下踩,从而让这个物体被向上推,飞机就保持在空中了,螺旋桨或者引擎就可以拉着飞机向前飞了。

具体飞机的机翼是怎么排空气的,这需要你学习更多的知识才能理解,如果你上了高中还记得这个问题,那请联系我,我会送给你一本我最喜欢的书(之一):

作者:[美]D.F.安德森(David F.Anderson)

BTW,我在地图上的云南彝良境内完全找不到武内小学在哪里,本来想用学校的大小来打比方。也许大山里还有太多太多的小学生,在百度地图都没有标出来的地方,默默的学习着。

希望他们好好学习,独立思考,不盲信老师,走出一条自己的路。

写给大人的:

伯努利效应并非是不正确的,大家都是通过牛顿力学的基本原理推导出来的。伯努利效应和牛三是两种解释的方法,互相并不矛盾,而且还都能指导飞机机翼的设计。只是用路程更长(长距理论Longer Path或等时理论Equal Transit Time)来解释是错误的。事实是,上表面的空气可以比下表面的空气更早的到达尾部。上下表面的速度差是客观存在的。

注意看最后气流交汇时的方向和上下差异

另一方面,如下图所示,上下压力差也是真实存在的,正是压力差让飞机有了维持高度的合力。

上下压强差是真实存在的

特别感谢 @苏47战斗姬 的修正建议。

参考

  1. ^ 洛泽河年径流量8.98亿立方米。