中学物理知识在航空器中的简要分析

摘要：近些年来，我国航空航天事业取得了突飞猛进的发展，我国正在由航空航天大国到强国迈进，与此同时，高考中也经常考察与航空航天科技前沿相关的中学物理知识，本文运用中学物理知识简要分析航空器的构造、起飞过程以及飞行过程。

关键词：中学物理知识 航空器 仿生学 流体力学

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近五年来，中国的航空航天技术得得到了长足的发展，歼20，歼30等战斗机，还有C919大型飞机的相继亮相，正说明我国正在向航空强国迈进，航空航天科技所涉及的物理学知识相当复杂，有关的物理知识如流体力学中的航空动力学还需要我们进一步学习，但这些艰深物理知识都是建立在我们中学物理知识之上的，因此使用我们所学的中学物理知识简单分析航空器的构造，飞行过程以及起飞过程也是有可能的，本文试作出以下分析。

一、航空器设计中来源于生活常识的物理知识分析

生活中我们不难发现许多自由翱翔的鸟类，他们都是大自然鬼斧神工的杰作。而仿生学是一门专门模仿生物的特殊本领来设计并研制的学科。比如老鹰，人们发现它们在飞行中展开翅膀向上偏折翅尖羽毛。有关专家提出在翼尖加装短板来减小阻力的想法。后来，设计师们不断研究，发明了翼尖小翼，并将其安装在飞机上，取得了一定的效果。人们还通过研究蝙蝠在夜里飞行捕捉蚊子却不和什么东西相撞的特性，通过实验发现，使用电子发出电磁波，同样能达到这一效果，进而出现、演变出雷达，.雷达通过天线发出无线电波，无线电波遇到障碍物就反射回来，经过处理后显示在荧光屏上。驾驶员从雷达的荧光屏上，能够看清楚前方的障碍物。另外飞机在高速飞行的时候，机翼会发生颤振现象。也就是说，飞机的翅膀会不由自主地振动，这种有害的振动可能造成翼折人亡的惨剧。但是蜻蜓在振翅飞行时，由于蜻蜓每一片翅膀前缘的上方，都有一块加厚的深色角质层或称色素斑，叫翅痣。研究表明这就是它们消除颤振隐患的特殊装置。科学家们便在飞机机翼前端的边缘，安装了一块长方形的金属板，称为抗震颤装置，帮助人类解决了这一问题。

二、航空器起飞阶段中的中学物理知识分析

全发起飞、单发失效继续起飞、单发失效中断起飞和全发工作中断起飞机从静止开始，以全发启动为例，在发动机推力的带动下，沿地面加速滑跑到一定速度时，飞行员开始拉杆使飞机前轮离地。飞机前轮开始离地瞬间具有的速度称为抬前轮速度（Vr），之后飞机速度和迎角不断增加直至升力克服自身重力作用，飞机进入离地爬升状态。飞机离地瞬间具有的速度称为离地速度（Vlo），当飞机距离机场 一定高度时，飞机完成全发起飞，此时飞机具有的速度称为起飞安全速度（V2）。全发起飞起飞总共分三个阶段，全发工作地面加速滑跑阶段，全发工作抬前轮阶段、全发工作起飞空中段，以全发工作地面加速滑跑阶段分析为例，简要用中学物理知识分析此过程如下：

如图所示，机场跑道与水平面的夹角为α，飞机发动机的推力与机场跑道之间的夹角为β，飞机起飞或中断起飞过程中受到重力mg 发动机推力P、升力L（v）（取决于速度v）、阻力D（v）、地面支持力N和摩擦力f，重力方向竖直向下，地面支持力垂直于跑道向上，对飞机进行受力分析可得在垂直于机场跑道方向上：N+L（v）+Psinβ-mgcosα=0，在沿着跑道方向上：

Psinβ-D（v）-f-mgsinα=ma，解得：a=，如果飞机要获得速度v0，加速时间为t，那么根据v=∫adt，可以解出所需时间t0。

三、航空器飞行过程中的中学物理知识分析

飞行中流体力学，是研究流体（液体和气体）的力学运动规律及其应用的学科。主要研究在各种力的作用下，流体本身的状态，以及流体和固体壁面、流体和流体间、流体与其他运动形态之间的相互作用的力学分支。流体力学中研究得最多的流体是水和空气。它的主要力学基础是初中物理中的流体压强以及高中物理中牛顿运动定律和动量守恒定律。

飞机的供油系统与汽车和摩托车不同，不用油泵从油箱中向气缸供油，而是依靠油的重力自动从油箱流向气缸。飞机在飞行过程中当油箱中的油不多时，人们一般认为要尽可能地加快速度飞行，以利用所剩余的油，但飞行员却選择减速飞行，这其中存在着中学物理原理。

如图所示，为航空器的油箱，当航空器以一定的加速度a航行时，对于相对平衡的流体来说，受到重力mg，液体的压力F，此时液面与水平面的夹角为α。

B和C时加速度较小的情况，而A是加速度较大的情况，当油箱里面油较少时，加速度过大时，出现A中情况，当加速度较小时出现B、C两种情况，出现A种情况时，油箱里面的油无法流出，所以当油箱里面显示油量不多时，飞行员选择减速而不是加速运动。

四、结语

本文主要利用所学到的中学物理知识分析航空器的结构、起飞过程以及飞行过程，并在分析中列举了实例，用中学物理知识分析复杂过程，需要我们有扎实的物理基础并有很好的物理分析能力，因此我们要在学习物理的过程中多积累，多观察分析，才能学以致用。

参考文献：

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[2]朱亚娟.水陆两栖飞机陆上着陆性能计算方法研究[D].南京航空航天大学，2016.

[3]刘雅君，薛琳娜，郑雪莲.飞机飞行过程中一个流体力学问题[J].延安大学学报，2005，（01）.

（作者单位：郑州一中）

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