機翼升力實驗改進和機翼升力誤解

賈浦濤

一、機翼升力實驗改進

在教學初中物理流體壓強與流速時，飛機升力作為伯努利原理的應用來分析，教材一般設計飛機升力實驗以增加學生的感性認識。如人教版教材中，將紙按照圖1甲尺寸剪下，折成圖乙形狀并用小段膠帶固定，就制好了紙質機翼模型，MN是固定在機翼前端的細線。把細線拉平繃緊，用嘴對著“機翼”前端的位置用力水平吹氣，可以看到“機翼”在氣流的作用下向上翹起(如圖1丙所示)。教材以此現象說明機翼能產生升力。筆者在教學中發現，用這種方法產生的效果是“機翼”產生轉動，最后處于水平狀態，沒有整個“機翼”從下往上升起的效果。實驗存在的問題有兩點：

(1)紙機翼模型在實驗開始階段與實際機翼飛行階段氣流吹擊部位不同。由于拉緊細線后，紙機翼模型自然下垂，剛開始是平直的一面對著吹來的氣流，這相當于氣流對著實際機翼的下表面向上吹，這顯然與實際不相符。

圖1

(2)紙機翼模型在實驗中由于細線不在重心處，吹氣時在氣流沖擊力作用下會產生轉動，直到達到平衡狀態，而實際機翼在起飛階段是不會繞著固定點轉動的。

為了使機翼模型在實驗中有升起來的感覺，證明機翼的外形會產生升力，將實驗做如下改進：

①使機翼模型在實驗中始終處于水平狀態，與實際機翼迎氣流部位相同。

②固定機翼模型處在重心處，消除轉動效果，并使機翼產生升力后可以上下移動，產生“飛”的效果。

③引入對比實驗。將機翼模型凸面分別向上向下用氣流吹，觀察效果，說明機翼升力與其外形有關，增強說服力。

機翼模型的制作材料首選密度很小的泡沫塑料。取一塊長12 cm，寬6 cm，厚2 cm(具體尺寸要求不用太嚴格，但厚度不能太薄，否則實驗時機翼模型不易保持水平狀態)的泡沫塑料。用鋒利的小刀來回拉動，切割成機翼模型，找出其重心，再用直徑約1 mm的細鐵絲用火加熱，在重心處沿垂直機翼模型方向扎一小孔，切一段2 cm長的空塑料筆芯插入小孔，機翼模型就做好了。

實驗時，將直徑約1 mm的光潔細鐵絲插入機翼模型的小孔中，使它凸起的一面向上，一只手舉著細鐵絲使機翼模型處于水平狀態，另一只手持電吹風機對著機翼模型吹氣，可以看到機翼模型緩緩升起，在空中隨著氣流上下晃動，像飛機在飛行(如圖2所示)。將機翼模型倒過來凸面向下，用電吹風機吹氣，機翼模型升不起來(如圖3所示)，說明機翼的外形會產生升力。

圖2

圖3

此方法簡單易行，即使用嘴吹氣，也能產生很好的效果。

二、對機翼升力的誤解

1.教材對飛機升力的解釋

人教版教材是這樣引導學生的：幾十噸重的飛機為什么能夠騰空而起？秘密在于機翼。你觀察過飛機的機翼嗎？它的截面是什么形狀？將飛機升力產生的焦點指向機翼的形狀。接著這樣解釋：飛機前進時，機翼與周圍的空氣發生相對運動，相當于有氣流迎面流過機翼，氣流被機翼分成上下兩部分，由于機翼橫截面的形狀上下不對稱，在相同的時間內，機翼上方氣流流過的路程較長，因而速度較大，它對機翼的壓強較小；下方氣流通過的路程較短，因而速度較小，它對機翼的壓強較大。因此在機翼的上下表面存在壓強差，這就產生了向上的升力。在學生學過這部分知識后，若教師提問：機翼的升力是怎樣產生的？學生都認為是由機翼的形狀產生的，甚至許多教師也是這樣認為的。實際上這樣的觀點是不全面的，會對學生造成誤導，產生這樣的原因是由教材的不恰當表述造成的。

2.學生實驗中的發現引出的問題

課后，好奇心使一些學生反反復復用電吹風機對著機翼模型吹氣，發現了無法解釋的現象：當機翼模型的凸面向下時，用電吹風吹氣，機翼模型也能產生升力“飛”起來(如圖4所示)。按照教材的解釋，此時產生的升力方向向下，機翼模型重力方向也向下，二者的合力向下，機翼模型不會升起來，事實上它卻升了起來，顯然教材的解釋出現了問題。按照教材的說法，也無法解釋早期雙翼飛機的平板形機翼是如何產生升力的。現代許多戰斗機機翼是上下對稱的菱形，它們是怎樣產生升力的？飛行表演時機腹向上的倒飛如何解釋？顯然教材對飛機升力的解釋有一定的片面性，需要改進表述方法。

圖4

3.飛機升力的正確解釋

飛機在空中飛行時，在豎直方向上受到豎直向上的升力來克服飛機的重力，當二者平衡時，飛機才能在空中穩定地飛行。物理學中流體力學定量計算升力的公式為Y=，其中Y為升力，Cy為升力系數，S為機翼的特征面積，ρ為空氣密度，v為空氣流體的速度。升力系數Cy與機翼橫截面的形狀，氣流與機翼所成的角度(即迎角)等有關。可見在對飛機升力的貢獻中機翼形狀只占一部分，機翼形狀所產生的伯努利效應只能解釋很小的一部分升力。如果飛機僅僅根據“伯努利原理”來飛行，現代的許多戰斗機就飛不上天，更無法倒飛表演，而能飛起來的飛機機翼形狀必須非常“拱起”。實際上，飛機產生升力的一個重要原因還與氣流的沖擊角度有關。捏住紙的上邊緣兩角，使紙自然下垂，對著紙的上邊緣上方水平吹氣，紙會飄起來，這是伯努利效應的結果；但正對著下垂的紙面水平吹氣，紙也會飄起來，這是氣流沖擊效應的結果。當氣流相對于機翼從前下方以一定的角度吹時，機翼就會產生向上的升力，機翼模型凸面向下也能“飛”起來就是這個原因。為此，現代飛機的機翼與其自身有一個大約4°的傾角，當飛機從將場起飛時，機頭總是高高抬起形成更大的迎角，以獲得較大的氣流沖擊效應。氣流的沖擊力在機翼上分解為對飛機的阻力和向上的升力，飛機的發動機產生的推力克服阻力使飛機前進，向上的升力使飛機騰空而起。機翼迎角的作用換而言之就是改變氣流的運動方向，好像把空氣向下推，因而空氣對機翼產生向上的反作用力，把機翼向上推，產生升力。飛機倒飛表演時總是機頭高昂，形成較大的迎角，只要迎角合適，產生的升力照樣能使飛機在空中飛行。

三、對教材中飛機升力表述的建議

飛機的升力產生及解釋很復雜，沒必要對初中學生作詳細的解釋，但也不能讓學生學過這部分內容后形成錯誤的觀念，這樣不利于以后更深入的學習。為此，建議初中教材中對這部分內容這樣表述：飛機的升力是由機翼的多種因素造成的，其中飛機機翼橫截面的形狀是產生升力的原因之一。這樣的表述不僅不會讓學生對機翼升力產生錯誤的認識，而且還能為學生以后在這方面更深入的學習埋下伏筆。

[1]陳永麗.機翼升力的物理原理分析[J].現代物理知識,2010(2):20-21.

[2]郭守月,李滿蘭.怎樣更簡單地解釋飛機(機翼)升力？[J].科學中國人,2005(9):60-61.