物理没学好还想上天?是时候带你们过一遍高考知识点了

作者: 严伯钧

来源: 科学大院

发布日期: 2020-06-07

本文详细介绍了人类飞行器提速面临的空气阻力问题,飞机升力的来源,超声速飞行遇到的声障问题,以及人类探索宇宙所需达到的宇宙速度和弹弓效应在太空航行中的应用。

人类可以“飞”多快?像孙大圣那样一个筋斗十万八千里是不可能的,人类目前最快的飞行器也只有200 km/s的速度。那么,在现实世界中,人类交通工具要提速会面临问题呢?

人类要提速,第一道要越过的屏障是空气阻力。空气阻力大大限制了人类交通工具的速度,日常民用交通工具,本质上都是在跟空气做斗争。对地面交通工具来说,要克服的阻力有两个,分别是地面的摩擦力和空气阻力。飞机比汽车快很多,正是因为飞机飞起来之后就没有地面的摩擦力了。但是原则上,地面摩擦力可以通过磁悬浮的技术解决,空气阻力才是真正难以克服的。

空气阻力跟空气相对于交通工具的速度的平方成正比。也就是说,当运动速度提升到原来2倍的时候,受到的空气阻力是原来的4倍。这样一种平方关系导致交通工具的提速异常困难,因为提速的同时伴随着巨大的能量消耗。比如我国的高铁从时速300千米提升到“复兴号”的350千米,其实用了比较久的时间。除了有安全性的考量,成本和能耗也是一个重要的因素。

飞机可以升空,靠的就是空气流速快气压会降低的原理。

飞机机翼的横截面上表面会做成弧形,下表面做成平面或弧度相对较小的曲面。当飞机运动起来的时候,机翼前方的空气会被它切成两份,从机翼的上下两侧分别流动到机翼的后方。但是很明显,由于机翼上方的弧度大,上方空气走到后方所经历的路程要比下方空气的路程长。由于空气是处处连通的,很难出现瞬时的真空状况,所以为了保证处处有空气,上方空气必须以更快的速度流动到后方。

这就导致上方空气的气压一定要比下方空气的气压小,机翼就受到了一个向上的压力差。这就是飞机升力的来源之一,并且当飞机的运行速度越快,这个压力差就越大。

随着飞行高度的上升,飞机周围空气的密度会逐渐变小,可以在很大程度上减少空气阻力。那如果要飞得更快,是不是只要不断往高飞就可以了呢?事情没有那么简单,因为当速度接近声速的时候,新的阻力来源就出现了。这也是为什么对于飞机,尤其是战斗机来说,超声速是一个重要的节点,就是因为超声速这件事情非常难,要突破声障的掣肘。

人类如果要探索宇宙,需要逐步达成三个目标,分别是飞离地面、飞出地球以及飞出太阳系。对应的物理上的要求是我们要分别达到第一、第二和第三宇宙速度。第一宇宙速度是飞行器绕地球飞行再也不掉下来的临界速度,大概是7.9 km/s。第二宇宙速度大概是11.2 km/s,这跟第一宇宙速度7.9 km/s相比又大了不少。第三宇宙速度算出来更大一些,大约是16.7 km/s。

在我们真正飞出大气层进入太空之后,为了更高效地飞行,就需要充分利用各大天体的引力,来给飞行器加速,因为飞行器携带的燃料是有限的。这里就要用到太空航行里一个非常重要的物理现象,叫作弹弓效应。弹弓效应的原理,跟踢滚过来的足球踢得更高远的原理是一样的。弹弓效应的加速机制就是宇宙飞船快速从地球的一侧飞入地球的轨道。这个时候在地球上的人看来,宇宙飞船只是开始绕地球转动而已。

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