⚛ 物理

一架几百吨的大铁疙瘩,凭什么能在天上飞?

看完这篇你会知道机翼的"驼背"形状如何制造升力,以及飞机为什么必须先跑再飞

你有没有想过,一架满载乘客和行李的波音747,重量相当于把400辆小轿车堆在一起。就这么个庞然大物,居然能离开地面,还能在万米高空巡航十几个小时——这背后的秘密,其实藏在机翼那个奇怪的形状里。

机翼为什么要做成那种"驼背"的形状?

你仔细看飞机的机翼侧面,会发现它不是一块平板,而是上面鼓起来、下面相对平坦,像一个切开的水滴。这个设计可大有讲究。当飞机向前飞的时候,空气被机翼劈成两股:一股从上面走,一股从下面走。上面那条路更长、更弯曲,空气为了"追上"从下面走的同伴,不得不跑得更快。这就带来了一个神奇的效果——跑得快的空气,对周围东西施加的压力反而更小。这个规律叫伯努利原理,你可以理解成"气流越急,压力越低"。于是,机翼上方气压低、下方气压高,上下之间的压力差就把整架飞机往上"托"起来了。这股向上的力,就叫升力。

光靠机翼形状够吗?发动机在干什么?

光靠翼型还不够,升力的大小跟飞机飞得多快直接相关——速度越快,上下压差越大,升力越强。这就是为什么飞机起飞前要在跑道上疯狂加速,非得跑到时速两三百公里才能拉起头来。发动机的任务,就是提供这股向前冲的推力,让飞机足够快,快到升力能托住自己的体重。

除此之外,飞行员起飞时还会把机翼前后缘的"小翅膀"(襟翼)放下来,让机翼弯曲得更厉害,变得像一把更弯的弓。这样即使在速度还不够快的时候,也能产生更多升力,帮助飞机顺利离地。你在窗边坐过的话,应该听到过起飞前那段机械展开的声音,那就是襟翼在工作。

飞机怎么保持在空中不掉下来?

很多人以为飞机在空中是"漂"着的,其实飞机每时每刻都在靠速度"撑"着自己。一旦速度降得太低,升力不够抵消重力,飞机就会开始下沉——这在飞行术语里叫"失速",听起来很可怕,但现代飞机有一堆传感器和警报系统,在这种情况发生之前就会提醒飞行员。飞机飞行其实是一场精密的平衡游戏:升力顶住重力,推力对抗阻力,四个力刚好抵消,飞机才能平稳巡航。飞行员每一次操控,本质上都是在微调这四个力之间的关系。

有个让人意外的冷知识:鸟和飞机其实用的是同一套原理,只不过鸟儿靠扑翼来制造推力和升力,而飞机把这两件事拆开来——发动机管推,机翼管升。下次坐飞机望着窗外的翅膀,不妨想想:同样一片天,鸟飞了亿万年,人类不过飞了一百多年,我们到底还能飞出什么花样?