飛機(jī)螺旋槳的推力/反推力--科技館展品展項(xiàng)方案

科學(xué)原理

飛機(jī)的螺旋槳在發(fā)動(dòng)機(jī)的驅(qū)動(dòng)下高速旋轉(zhuǎn)，從而產(chǎn)生拉力，將飛機(jī)向前拉。飛機(jī)的螺旋槳如何產(chǎn)生拉力呢？科技館展品制作生產(chǎn)源頭工廠-上海慣量自動(dòng)化有限公司提示大家當(dāng)螺旋槳葉片高速旋轉(zhuǎn)時(shí)，它同時(shí)產(chǎn)生兩個(gè)力，一個(gè)是將葉片向前拉的空氣動(dòng)力，另一個(gè)是葉片扭轉(zhuǎn)角將空氣向后推所產(chǎn)生的反作用力。

表現(xiàn)形式

機(jī)械互動(dòng)

操作說(shuō)明

1、觀眾打開(kāi)防護(hù)門(mén)進(jìn)入展臺(tái)；

2、觀眾啟動(dòng)腳踏結(jié)構(gòu)，使螺旋槳旋轉(zhuǎn)，攪動(dòng)空氣形成推力；

3、觀眾繼續(xù)騎行，在車(chē)上繞著中軸做圓周旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)；

知識(shí)延伸

大多數(shù)通用航空或私人飛機(jī)均由內(nèi)燃發(fā)動(dòng)機(jī)提供動(dòng)力，內(nèi)燃發(fā)動(dòng)機(jī)使螺旋槳旋轉(zhuǎn)以產(chǎn)生推力?？萍拣^展品制作生產(chǎn)源頭工廠-上海慣量自動(dòng)化有限公司提示大家螺旋槳如何產(chǎn)生推力的細(xì)節(jié)非常復(fù)雜，但是我們?nèi)匀豢梢允褂么颂幗榻B的簡(jiǎn)化動(dòng)量理論來(lái)學(xué)習(xí)一些基礎(chǔ)知識(shí)。

螺旋槳推進(jìn)系統(tǒng)

在幻燈片上，我們?cè)陧敳匡@示了螺旋槳推進(jìn)系統(tǒng)的示意圖，在底部顯示了一些定義螺旋槳如何產(chǎn)生推力的方程。螺旋槳推進(jìn)的細(xì)節(jié)非常復(fù)雜，因?yàn)槁菪龢拖袷切D(zhuǎn)的機(jī)翼。螺旋槳通常有2至6個(gè)葉片。葉片通常又長(zhǎng)又薄，垂直于長(zhǎng)尺寸切開(kāi)葉片會(huì)形成翼型形狀。由于刀片旋轉(zhuǎn)，因此尖端的移動(dòng)速度比輪轂快。因此，為了使螺旋槳高效，通常會(huì)扭曲葉片。翼型在末端的迎角小于轂的迎角，因?yàn)橐淼倪\(yùn)動(dòng)速度高于轂的速度。當(dāng)然，這些變化使得分析通過(guò)螺旋槳的氣流非常困難?？萍拣^展品制作生產(chǎn)源頭工廠-上海慣量自動(dòng)化有限公司提示大家將細(xì)節(jié)留給空氣動(dòng)力學(xué)專家，讓我們假設(shè)旋轉(zhuǎn)的螺旋槳就像圓盤(pán)一樣運(yùn)轉(zhuǎn)，周?chē)目諝獯┻^(guò)該圓盤(pán)（示意圖中的黃色橢圓形）。

以白色顯示的發(fā)動(dòng)機(jī)使螺旋槳轉(zhuǎn)動(dòng)并在氣流上起作用。因此，螺旋槳盤(pán)上的壓力會(huì)突然變化。 （數(shù)學(xué)家用希臘符號(hào)“ delta”（希臘字母Delta來(lái)表示變化）。在螺旋槳飛機(jī)上，壓力以“ delta p”（希臘字母Delta p）來(lái)改變?？萍拣^展品制作生產(chǎn)源頭工廠-上海慣量自動(dòng)化有限公司提示大家螺旋槳的作用就像旋轉(zhuǎn)的機(jī)翼。從理論上講，我們知道升力機(jī)翼上方的壓力低于機(jī)翼下方的壓力，旋轉(zhuǎn)的螺旋槳所產(chǎn)生的壓力要低于螺旋槳前方的自由流，而高于螺旋槳后方的自由流。圓盤(pán)上的壓力最終返回自由流狀態(tài)，但是在出口處，速度大于自由流，因?yàn)槁菪龢_實(shí)對(duì)氣流起作用，我們可以將伯努利方程應(yīng)用于螺旋槳前面的空氣和空氣但是我們不能將伯努利方程式應(yīng)用到螺旋槳盤(pán)上，因?yàn)榘l(fā)動(dòng)機(jī)執(zhí)行的功違反了用來(lái)推導(dǎo)該方程式的假設(shè)。

簡(jiǎn)單動(dòng)量理論

轉(zhuǎn)向數(shù)學(xué)，由螺旋槳盤(pán)產(chǎn)生的推力F等于壓力跳躍增量p乘以螺旋槳盤(pán)面積A：

F =Δp * A

單位檢查顯示：

力=（力/面積）*面積

我們可以使用伯努利方程將螺旋槳盤(pán)前后的壓力和速度關(guān)聯(lián)起來(lái)，但不能通過(guò)螺旋槳盤(pán)。螺旋槳盤(pán)前方的總壓力pt0等于靜壓力p0加上動(dòng)壓力.5 * r * V0 ^ 2。

pt0 = p0 + .5 * r * V0 ^ 2

其中r是空氣密度，V0是飛機(jī)的速度。螺旋槳盤(pán)下游，

pte = p0 + .5 * r * Ve ^ 2

其中pte是下游總壓力，Ve是出口速度。在螺旋槳盤(pán)本身的壓力跳躍

增量p = pte-pt0

因此，在螺旋槳盤(pán)上，

增量p = 0.5 * r * [Ve ^ 2-V0 ^ 2]

將伯努利方程給出的值代入推力方程，我們得到

F = .5 * r * A * [Ve ^ 2-V0 ^ 2]

我們?nèi)匀槐仨毚_定出口速度的大小，基于動(dòng)量方程的螺旋槳分析可提供該值。

科技館展品制作生產(chǎn)源頭工廠-上海慣量自動(dòng)化有限公司提示大家請(qǐng)注意，該推力是一個(gè)理想的數(shù)值，不會(huì)考慮實(shí)際的高速螺旋槳中發(fā)生的許多損失，例如葉尖損失。損失必須由更詳細(xì)的螺旋槳理論來(lái)確定，這超出了這些頁(yè)面的范圍。復(fù)雜理論還提供了給定幾何形狀的壓力跳躍幅度。但是，簡(jiǎn)單的動(dòng)量理論可以很好地解決問(wèn)題，并且可以用于初步設(shè)計(jì)。