論述航模制作中的物理學原理

航模制作是集多種學科為一體的活動，是一項智力類的實踐活動。實踐證明通過航模制作不僅可以提高自己的實踐動手能力和創新能力，而且還可以磨練自己的意志、激發拼搏向上的積極性。隨著我國航天事業的不斷發展，我國航模制作者越來越多。制作航模需要了解航模制作的基本結構及原理，因此利用多年的制作經驗，通過在學校航空模型社團活動中掌握的相關航模制作基本原理知識等，提出航模制作中所涉及到的物理原理，以此為其它航模制作者提供理論經驗參考，為我國航模制作事業的發展而做出自己的貢獻。

一、航模歷史發展

飛機模型是人類研制載人飛行器的重要手段，航模制作對普及航空知識、培養航空人才起著關鍵性的作用。我國航空模型一詞最早出現于1913年，在19世紀40年代我國航模運動得到發展并且在1947年舉辦了首屆航空模型比賽，1978年我國加入世界航空聯合會，標志著我國航模運動正式走向世界。隨著我國航空職業的不斷發展，我國航模制作者的人數越來越多，例如在2018年舉辦的第二十屆“飛向北京” 全國青少年航空模型比賽中共有1700余名運動員、2275人次參賽，創新歷史之最。通過對航模比賽的研究，目前我國航模比賽的種類主要包括（見表1）：

二、航模制作所涉及的物理學原理

航模制作的過程是應用各種學科知識的過程，尤其是在航模制作的過程中需要涉及到較多的物理學原理。結合近些年對航模制作過程的研究，其所涉及的物理學知識主要集中在以下幾個方面：

（一）航模外形與空氣阻力

事物在運動的過程中受到的空氣作用力在運動方向的分力稱之為空氣阻力。物理學原理表明任何事物在運動的過程中都會受到空氣阻力的影響，空氣阻力公式原理說明物體的速度低于200米/秒時，可認為阻力與物體速度大小的平方成正比;速度達到400～600米/秒時，空氣阻力和速度大小的三次方成正比;在速度很大的情況下，阻力與速度大小的高次方成正比。因此如何降低空氣阻力是航模制作者所需要面臨的主要問題之一。物理學原理告知我們水滴狀的形狀能夠適應空氣動力學，因為水滴降落的狀態所受到空氣阻力的影響最小，這樣可以提高航模飛行速度。但是由于我們在制作航模過程中基于技術、材料等因素的影響并不能將航模外形設計成水滴形狀。對此我們可以借鑒水滴降落狀態的原理，結合汽車流水線設計方法，在航模外形設計上采取流線化的制作工藝手段。采取流線化的外觀設計可以減少空氣的阻力，其原理主要是：利用空氣的流動原理，考慮到影響空氣流動的因素，采取降低空氣阻力的設計方案。通過與指導教師、同學之間的交流采取流水性的外觀設計方案。在航模制作的過程中利用3D打印技術設計出較為光滑的平滑界面，這樣當航模在飛行的過程中遇到空氣阻力時就會借助平滑界面的優勢將空氣阻力降低到最小，降低破壞性旋渦的出現，實現航模飛行速度的穩定。同時還要通過襟翼設計將航模飛行中所遇到的流動空氣“鏟除”到上方，以此減少空氣向下的壓力，通過作用力與反作用力保證航模向上的飛行力。

（二）外形與物體分割關系

航模外凸會增加空氣阻力，因此在航模制作的過程中盡可能的將航模外觀設計的簡單些，尤其是對于邊角突出的部分要進行磨圓處理，以此減少空氣阻力。當然航模飛行的過程中會因為速度的不同而對大氣造成影響，進而會直接干擾到航模的飛行速度。例如當航模飛行速度低于影響流體流速時，就不會產生漩渦，進而航模的流動損耗就會小，反之則反之。因此在航模制作的過程中必須要考慮到飛行流速對大氣層的影響，具體到航模制作中則需要對航模機翼的迎角進行設計，如果迎角過大則會直接導致大氣流體被分割，進而產生下壓力，導致航模飛行速度下降。

（三）空氣動力學知識

航模制作過程中必須要考慮到空氣阻力對航模升高的影響，一般航模升高裝置主要包括縫翼、導流片等，其外形較為復雜。根據相關資料，航模阻力主要包括壓阻、波阻以及誘導阻力等等。因此在航模設計中需要應用到物理公式“P=F/S ”。根據該公式可以看出航模機翼部分的面積越大其所受到的力就會越大。因此為了提高航模的升高速度，降低空氣阻力采取增加航模機翼面積的方式提升航模的性能。另外根據伯努利定理原理（體積一定的流體具有能量守恒的特點），因此根據該原理，在不改變空氣流動方向的前提下，如何保證航模飛行的穩定性是航模制作者所必需要面臨的問題。例如在實踐中經常出現航模飛行到一定高度后會出現搖擺等現象，因此經過與其他同學的探討分析后，決定在機翼表面設計上入手：一方面增加機翼的表面面積。另一方面要優化機翼結構。機翼上采取彎曲設計，機翼下表面采取平直設計的方案。這樣可以保證空上表面的流動路徑要長于下表面空氣流動路徑，有效地避免了空氣阻力影響。最重要的是通過此種設計可以在不改變空氣流動的情況下，實現了大氣壓的下降，進而使得航模機翼上下表面產生不同的大氣壓，產生的大氣壓可以保證航模重力平衡，有效解決了航模在高空中出現的上下搖晃的現象。

三、結語

綜上所述，航模制作是融合多個物理學原理知識的智力類實踐活動，通過航模制作不僅可以鞏固學生的物理知識，而且還可以增強學生之間的團結互助、積極拼搏的精神。航模制作的過程是不斷創新的過程，需要學生要靈活應用物理學原理知識，結合實踐創造經驗不斷進行數據計算和操作改進。總之通過制作航模使我深深地認識到物理學知識的重要性，我們要想創造出更完善的航模就必須要加強學習，端正學習態度，提高動手能力，以此為我國航模事業而貢獻自己的力量。

參考文獻：

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（作者簡介：鄭雨昆，現就讀于石家莊精英中學高三A7班。）