机翼升力实验改进和机翼升力误解

贾浦涛

一、机翼升力实验改进

在教学初中物理流体压强与流速时，飞机升力作为伯努利原理的应用来分析，教材一般设计飞机升力实验以增加学生的感性认识。如人教版教材中，将纸按照图1甲尺寸剪下，折成图乙形状并用小段胶带固定，就制好了纸质机翼模型，MN是固定在机翼前端的细线。把细线拉平绷紧，用嘴对着“机翼”前端的位置用力水平吹气，可以看到“机翼”在气流的作用下向上翘起(如图1丙所示)。教材以此现象说明机翼能产生升力。笔者在教学中发现，用这种方法产生的效果是“机翼”产生转动，最后处于水平状态，没有整个“机翼”从下往上升起的效果。实验存在的问题有两点：

(1)纸机翼模型在实验开始阶段与实际机翼飞行阶段气流吹击部位不同。由于拉紧细线后，纸机翼模型自然下垂，刚开始是平直的一面对着吹来的气流，这相当于气流对着实际机翼的下表面向上吹，这显然与实际不相符。

图1

(2)纸机翼模型在实验中由于细线不在重心处，吹气时在气流冲击力作用下会产生转动，直到达到平衡状态，而实际机翼在起飞阶段是不会绕着固定点转动的。

为了使机翼模型在实验中有升起来的感觉，证明机翼的外形会产生升力，将实验做如下改进：

①使机翼模型在实验中始终处于水平状态，与实际机翼迎气流部位相同。

②固定机翼模型处在重心处，消除转动效果，并使机翼产生升力后可以上下移动，产生“飞”的效果。

③引入对比实验。将机翼模型凸面分别向上向下用气流吹，观察效果，说明机翼升力与其外形有关，增强说服力。

机翼模型的制作材料首选密度很小的泡沫塑料。取一块长12 cm，宽6 cm，厚2 cm(具体尺寸要求不用太严格，但厚度不能太薄，否则实验时机翼模型不易保持水平状态)的泡沫塑料。用锋利的小刀来回拉动，切割成机翼模型，找出其重心，再用直径约1 mm的细铁丝用火加热，在重心处沿垂直机翼模型方向扎一小孔，切一段2 cm长的空塑料笔芯插入小孔，机翼模型就做好了。

实验时，将直径约1 mm的光洁细铁丝插入机翼模型的小孔中，使它凸起的一面向上，一只手举着细铁丝使机翼模型处于水平状态，另一只手持电吹风机对着机翼模型吹气，可以看到机翼模型缓缓升起，在空中随着气流上下晃动，像飞机在飞行(如图2所示)。将机翼模型倒过来凸面向下，用电吹风机吹气，机翼模型升不起来(如图3所示)，说明机翼的外形会产生升力。

图2

图3

此方法简单易行，即使用嘴吹气，也能产生很好的效果。

二、对机翼升力的误解

1.教材对飞机升力的解释

人教版教材是这样引导学生的：几十吨重的飞机为什么能够腾空而起？秘密在于机翼。你观察过飞机的机翼吗？它的截面是什么形状？将飞机升力产生的焦点指向机翼的形状。接着这样解释：飞机前进时，机翼与周围的空气发生相对运动，相当于有气流迎面流过机翼，气流被机翼分成上下两部分，由于机翼横截面的形状上下不对称，在相同的时间内，机翼上方气流流过的路程较长，因而速度较大，它对机翼的压强较小；下方气流通过的路程较短，因而速度较小，它对机翼的压强较大。因此在机翼的上下表面存在压强差，这就产生了向上的升力。在学生学过这部分知识后，若教师提问：机翼的升力是怎样产生的？学生都认为是由机翼的形状产生的，甚至许多教师也是这样认为的。实际上这样的观点是不全面的，会对学生造成误导，产生这样的原因是由教材的不恰当表述造成的。

2.学生实验中的发现引出的问题

课后，好奇心使一些学生反反复复用电吹风机对着机翼模型吹气，发现了无法解释的现象：当机翼模型的凸面向下时，用电吹风吹气，机翼模型也能产生升力“飞”起来(如图4所示)。按照教材的解释，此时产生的升力方向向下，机翼模型重力方向也向下，二者的合力向下，机翼模型不会升起来，事实上它却升了起来，显然教材的解释出现了问题。按照教材的说法，也无法解释早期双翼飞机的平板形机翼是如何产生升力的。现代许多战斗机机翼是上下对称的菱形，它们是怎样产生升力的？飞行表演时机腹向上的倒飞如何解释？显然教材对飞机升力的解释有一定的片面性，需要改进表述方法。

图4

3.飞机升力的正确解释

飞机在空中飞行时，在竖直方向上受到竖直向上的升力来克服飞机的重力，当二者平衡时，飞机才能在空中稳定地飞行。物理学中流体力学定量计算升力的公式为Y=，其中Y为升力，Cy为升力系数，S为机翼的特征面积，ρ为空气密度，v为空气流体的速度。升力系数Cy与机翼横截面的形状，气流与机翼所成的角度(即迎角)等有关。可见在对飞机升力的贡献中机翼形状只占一部分，机翼形状所产生的伯努利效应只能解释很小的一部分升力。如果飞机仅仅根据“伯努利原理”来飞行，现代的许多战斗机就飞不上天，更无法倒飞表演，而能飞起来的飞机机翼形状必须非常“拱起”。实际上，飞机产生升力的一个重要原因还与气流的冲击角度有关。捏住纸的上边缘两角，使纸自然下垂，对着纸的上边缘上方水平吹气，纸会飘起来，这是伯努利效应的结果；但正对着下垂的纸面水平吹气，纸也会飘起来，这是气流冲击效应的结果。当气流相对于机翼从前下方以一定的角度吹时，机翼就会产生向上的升力，机翼模型凸面向下也能“飞”起来就是这个原因。为此，现代飞机的机翼与其自身有一个大约4°的倾角，当飞机从将场起飞时，机头总是高高抬起形成更大的迎角，以获得较大的气流冲击效应。气流的冲击力在机翼上分解为对飞机的阻力和向上的升力，飞机的发动机产生的推力克服阻力使飞机前进，向上的升力使飞机腾空而起。机翼迎角的作用换而言之就是改变气流的运动方向，好像把空气向下推，因而空气对机翼产生向上的反作用力，把机翼向上推，产生升力。飞机倒飞表演时总是机头高昂，形成较大的迎角，只要迎角合适，产生的升力照样能使飞机在空中飞行。

三、对教材中飞机升力表述的建议

飞机的升力产生及解释很复杂，没必要对初中学生作详细的解释，但也不能让学生学过这部分内容后形成错误的观念，这样不利于以后更深入的学习。为此，建议初中教材中对这部分内容这样表述：飞机的升力是由机翼的多种因素造成的，其中飞机机翼横截面的形状是产生升力的原因之一。这样的表述不仅不会让学生对机翼升力产生错误的认识，而且还能为学生以后在这方面更深入的学习埋下伏笔。

[1]陈永丽.机翼升力的物理原理分析[J].现代物理知识,2010(2):20-21.

[2]郭守月,李满兰.怎样更简单地解释飞机(机翼)升力？[J].科学中国人,2005(9):60-61.