03.03 为什么飞机要在地上跑一段才能飞?

落叶依枫


飞机翅膀上的升力是哪儿来的?

飞机是很重的,为了抵消重力,一定要有一个向上的升力,那么这个升力是哪儿来的?

↑鸟类的飞行↑

我们知道,鸟类的飞行是依靠拍打翅膀,在拍打翅膀的过程中不断地迫使身体周围的空气向下运动,从而使自身获得一个向上的力。实际上这个道理很简单,你对空气施加一个向下的力,迫使空气相对你向下运动,由于牛顿第三定律,你就会获得一个向上的反作用力

但是飞机又不会拍打翅膀,所以一般的飞机迫使空气向下运动的方法就是四个字,“相对速度”。

下面这个图就是飞机机翼的形状。当飞机开始向前运动的时候,空气就会相对飞机向后流动,因为飞机机翼独特的形状,气流会改变原先流动的方向,飞机也就获得了向上的升力。

↑气流在机翼周围的流动↑

当然,上面这个是很笼统、很直观的说法,但是实际上这个过程要复杂的多:一方面气流因为飞机机翼上下表面的形状不同,在上下表面的流动速度不一样,从而带来了机翼上下不一样的压力,产生了一个向上的升力;另一方面则是气流在喷向机翼下表面的时候会被迫改变方向,就好像打水漂一样的,这个过程让机翼受到了一个向上的力。

↑“打水漂”假设↑

综合的作用下,飞机才能够获得足够大的升力。

↑气流在机翼周围的流动↑

所以飞机只有在足够大的速度下,才能够获得足够大的升力。

飞机的加速是个缓慢的过程。

为了使飞机达到足够的速度,需要通过发动机给飞机加速。而加速的过程是缓慢的,毕竟飞机是一个庞然大物,即便有的发动机一台的推力就可以达到四十、五十吨,但是推动一台几百吨重的飞机往前移动,加速度依旧是很慢,所以需要一段很长的跑道逐渐加速,直到速度达到之后才可以起飞。


当然,有的固定翼飞机不需要跑道。

刚刚说了,发动机是把飞机往前推,通过飞机与空气的相对运动获得向上的推力的。但是为什么飞机不可以直接把飞机往上推呢?

这就对了,因为确实是有发动机直接把飞机往上推的,比如说美国鼎鼎大名的F-35战斗机,这就是一架不需要跑道的垂直起降飞机。

这架飞机可以通过改变发动机喷口的方向,让发动机的推力垂直向上,从而获得向上的升力(当然,还有一部分推力来自于飞机发动机驱动的风扇)

↑F-35战斗机起飞阶段升力的来源↑

↑F-35垂直起飞的过程↑


航小北的日常科普


因为飞机太重了,不跑就飞不起来,实际上飞机起飞的原理很简单,无非就是制造一个上升的力。

这个上升的力只要大于飞机的重力,就可以让飞机腾空而起,遨游在九天之上,但如何制造这样一个升力呢,答案是让足够多的气流,穿过飞机的机翼就可以了。

那么飞机的速度越快,穿过飞机机翼的气流也就越快,但考虑到飞机的重量至少都在几十吨以上。

所以飞机在慢慢加速的同时,获得上升力也在不断的叠加,这个叠加的升力只要没有超过飞机的重力,飞机就要继续在地上跑,所以这没什么好奇怪的。

当然了,也有不需要跑的飞机,例如直升机就不需要,但直升机的飞行原理和民航飞机是一样,都是利用了伯努利原理。

直升机的螺旋桨在转动的时候,也会提供一个向上的升力,这个升力只要大于直升机本身的重量,就可以悬停在空中。

最后鸟也是一样的,鸟在快速扇动翅膀的时候,气流会给予它们一个上升的力,这个上升就让鸟能飞,但人为什么不能飞呢?答案是人太重了,就算我们拥有一双翅膀,也无法制造一个克服重量的力。

但也不是人类就绝对不能飞,如果说人类进化出足够强壮的胸肌,在进化成一个足够大的翅膀,或许就可以像鸟一样飞.....


种植恒星


主要是利用一个原理:伯努利原理,简单说,就是流体速度加快时,物体与流体接触面的压力会减小,反之压力就会增加!

这种原理现实中随处可见,任何人都可以深刻体会到。随便拿出一张纸,最好是长条的纸,比如你可以把A4纸撕成几天,纸的宽度与嘴巴的宽度相似最好。

把纸条放在你下嘴唇,用力吹,纸条就会飘起来,这就是伯努利原理直接应用,纸条之所以会飘起来就是因为由于你吹动空气,纸条上面空气流动压力减小,下面压力相对较大,所以纸条会飘起来!

而飞机飞行的原理与上面的例子是一样的,为了让伯努利原理发挥作用,飞机机翼的设计必须做到机翼上面的空气流动速度比下面的空气流动速度快,这并不难,如下图所示,机翼一般都是这种形状的:

为了让机翼上面的空气流动速度更快,飞机就必须飞的更快,就能产生足够的压力差,飞机就能飞起来,所以飞机起飞前必须飞行一段距离。

飞机发动机并不产生向上的推力,只产生向前的推力,抵消飞机重力的向上推力是靠机翼上下压力差来产生的!这与直升飞机的飞行原理并不相同!


宇宙探索


如果飞机不发动引擎,那它就只能老老实实的在地面上待着。这时你站在引擎旁边观察,会看到巨大的扇叶。当引擎点火发动,这些扇叶会快速的旋转,吸入空气并和燃料混在一起被点燃,产生巨大的能量。能量的一小部分用来保持扇叶的旋转,大多数能量从引擎的后部喷射而出,于是飞机被向前推动了。当然了,光跑的快还不行,因为地球有一股看不见又及其强大的引力,把飞机牢牢的“吸”在地面上,就是地心引力。起飞还得靠机翼获得升力,来对抗引力。可机翼又不会动,不能像鸟类那样挥动翅膀,升力从哪里来?

一个小实验也许能帮助你来理解,如果你用大拇指和食指捏住一张柔软的纸,纸会自然下垂。再把嘴凑近被捏住的一端,冲着纸面上方缓缓吹气,于是这张纸被托了起来,而不是更加下垂!实际上巨大的机翼并不是薄薄的一张纸,大多数的机翼的底部比较平,上面那部分向上弯曲。当飞机在跑道上滑行时,空气被机翼劈开,机翼形状使上方的空气流动速度比下方更快,飞机就获得了升力。实际上空气有阻力并不是坏事儿,反而是飞机能起飞的重要因素。

好了,现在引擎轰鸣,飞机已经开始在跑道上滑行了,我们会经历三个重要时刻。首先会加速到“决断”速度,这意味着飞机必须起飞。然后会达到“抬轮”速度,飞行员会让机头上扬抬起前轮,此时的飞机还没有完全离开地面,还在继续加速中。直到我们迎来“安全起飞”速度,这时我们会和飞机一起离开地面跑道,成功起飞。

图片来自Pexels,没有版权问题。


半只土豆


题主看来连飞机为什么会飞起来的原理都还没搞清楚,我有必要来科普一下。

根据物理学中的牛顿第一定律,重达上百吨的飞机要想要能飞在空中,势必要有一个向上的大小同样为上百吨的作用力施加在飞机上,这样才能保证飞机在空中不掉下来,而这个力就是飞机升力。那这股强大的升力是如何产生的呢?

升力当然是靠飞机的一对机翼产生的,机翼之所以能够产生升力,主要原因还是要靠和空气的相对运动,这里边牵涉到流体力学的伯努利原理,说起来有些深奥,用最简单的方式去理解就是,由于机翼界面呈现不规则形状导致流过机翼上下表面的速度不同,并且在机翼上下表面产生了压力差,空气对下表面压力大于上表面的压力,这样机翼上下表面所受到的向上的合力就是机翼的升力,如下图所示,图中的公式是利用伯努利原理去计算升力的大小,看不懂的话可以忽略。

并且,升力的大小随着空气流过机翼表面的相对速度的增加而增加,确切地说,是和速度的平方成正比。如果理解上面的原理的话,我们来对飞机起飞过程做一个受力分析。

起初,飞机停止在跑道末端,此时机翼和空气相对运动速度几乎为0(忽略风速),那么此时机翼的升力也基本为0,飞机的重力完全等于地面对飞机的支持力。

当机长打开油门,飞机开始加速向前,机翼和空气产生了相对运动,那么在这个过程中机翼所受到的升力也由0开始迅速增加,但机翼受到的升力还小于飞机自身的重力,因此这个过程在飞机仍在跑道上,此时飞机的重力=升力+地面的支持力,并且升力越来越大,地面的支持力越来越小。

飞机继续加速,速度越来越快,机翼的升力越来越大,直到某一时刻,升力>飞机自身重力的时候,这时候地面的支持力为0,飞机开始脱离地面加速上升。

这个就是飞机在跑道上由静止到起飞过程中,竖直方向上受力过程的变化。

我的微信公众号:熊猫爱飞行(ID:ilfypanda)


熊猫爱飞行


我们可以把飞机的起飞看做类似三级跳远,当然啦,一个是跳远,一个是起飞,性质不同。但是共同点是不管为了跳远和起飞,期间都有一个加速过程。


跳远的这个助跑加速过程是为了让身体在运动中获得一个惯性,当身体腾空,身体失去动力,惯性可以提供一个陆续向前飞的力,完成跳远。那么飞机呢?

飞机的起飞涉及到空气动力,所以飞机的机翼是特殊设计的。机翼横截面的形状上下不对称,机翼上方的流线密,流速大,下方的流线疏,流速小。


根据伯努利原理,即流体的流速越大,其压强越小,流速越小,其压强越大。由此我们知道,当飞机运动时,气流通过机翼,会在飞机机翼上面和下面产生的不同的压力,二者之间有压力差。机翼下面的压力大于上面压力,形成升力。当这个压力差值大于飞机本身的质量时,飞机就能离开地面。


由于机翼上面和下面的特殊涉及,二者在运动时表现截然相反的压力,上面随速度越快压力越小,下面随速度越快压力越大。所以要增大这个压力差值,就是要提速,所以飞机的起飞需要通过跑道助跑才能实现。




我们有些赛车之类的有人说为何也可以达到那种速度为何不飞,这只能说,汽车本身没有这种空气动力结构设计。


壹点科谱


飞机起飞升空需要加速滑跑后产生的强大惯性……。








运动物体的加速,往往是其达到极速之动力:这就是借助强大惯性的作用。田径运动中的跳高(含撑杆跳)和跳远,往往需要运动员通过加速跑,从而为其达到极速创造条件。作为高速运转的飞机发动机,在其需要达到升空所必须具备的极速条件之前,飞机在跑道上的加速滑行,就是为了获得强大的惯性作为助力。如果是战斗机遇到紧急起飞(尤其是航母舰载机),需要缩短滑跑时间快速升空,那光靠加速滑跑还不够:还需要通过打开飞机加力来增加发动机的推力。当发动机转速达到升空状态的动力时,飞行员拉起操纵杆,飞机即呈一定仰角开始向空中爬升……。


东骧神骏


除了像F-35战斗机这样极少数拥有垂直起降的功能之外,其他固定翼飞机均需要在地上滑行一段距离才能起飞,这个原因与固定翼飞机的飞行原理有关。

地球对飞机始终施加了一个竖直向下的引力,飞机想要飞上天,就必须要有一个比引力更大的向上升力。但固定翼飞机的发动机产生的推力并非向下,而是向后,这点与直升飞机的原理是不一样的。因为固定翼飞机的升力不是由发动机直接产生的,而是由那一对巨大的机翼产生的。

机翼的形状经过了特殊设计,当空气横向流过机翼时,下方的流速要慢于上方。由于伯努利原理,下方的气压会大于上方,于是气压差就会产生向上的升力。

当飞机的发动机工作时,通过压缩空气推动飞机前进。如果飞机的横向速度足够快,空气流过机翼的速度足够快,这样就能产生足够强大的气压差,于是就能把飞机推上天空。因此,固定翼飞机需要一定距离的助跑以使机翼产生足够的升力。

当飞机想要降落时,只需要减少飞机的推力,降低前进速度,使得机翼产生的升力小于重力,这与飞机如何飞起来的原理是一致的。


火星一号


答:飞机起飞的条件是升力大于重力,对于大部分固定翼飞机来说,需要达到一定水平速度后才能获得足够升力。


俗话说“只要推力够,搬砖也能上天”,对于固定翼的非垂直起降飞机来说,其起飞时升力主要靠机翼上下的压强差来提供。

在中学我们学过伯努利原理,指管径内流动的液体,流速越大的地方,压强越小,该原理同样适用于气体。

固定翼飞机的特殊机翼结构,使得机翼在水平划过时,上表面空气流速快,下表面空气流速慢,这就导致机翼受到的向上合力大于向下合力,其压力差就是升力。

机翼固定后,升力的大小和飞机的水平速度有关,只有达到一定速度,飞机的升力才能克服飞机的重力,从而实现离地飞行,所以飞机需要在跑道上达到一定水平速度后才能起飞。


比如波音747达到270km/h,就能离地起飞,小一点的飞机达到200km/h就能起飞,加速过程则需要很长的跑道,这是民航客机的特点。

在军用战机中,也存在不需要助跑的飞机,直升机属于螺旋翼不用说,比如美国F35B联合攻击战斗机,在起飞和降落时,能通过矢量发动机把推力方向制动到下方:

从而实现垂直起降,这主要得益于先进的发动机,直接使用发动机推力提供升力,算是相当厉害的技术。


好啦!我的内容就到这里,喜欢我们文章的读者朋友,记得点击关注我们——艾伯史密斯!


艾伯史密斯


很高兴回答你的问题。

要说清楚这个问题,就要对飞机做一个受力分析。。。。。(一秒回到高一物理)

简单地说,飞机本身是要比空气重的,如果想升空就必须产生一个比重力大的升力才行。而这个升力,就是在飞机向前滑行的这一段路中获得的。


飞机的机翼并不是一个平面,它的形状很特别,从侧剖面看前圆后尖,上表面是向外拱的弧形,下表面比较平。这样,飞机在向前滑行的过程中,流经机翼的空气会被分成上下两股气流,因为上表面拱出,此处的气流通道变窄,气流的流速加快,压强减小。而下表面相对来说流速慢一些,压强也会大。

这时候,机翼的上下表面产生了压强差,下表面受到的向上的压力>上表面受到向下的压力,也就产生了向上的升力。

所以飞机在跑道上加速滑行的过程,也就是飞机获得升力的过程,当加速到一定程度,飞机获得的升力足够大,配合驾驶员的操作,飞机也就能够飞起来了。

飞机的起飞阶段,其实是比较喜欢逆风状态的。因为逆风的时候相当于让流过机翼的空气速度更快,获得更大的升力,起飞所需要的滑行距离也相对越短了。


分享到:


相關文章: