飞机凭啥玩弄云?

有时候,翱翔于天空的那些大家伙们会摇身成为一个个大画家,它们以云为墨,在天空画出一幅幅让人叹为观止的图像。比如下面这一副,它的作者是“波音767”。

还有这一副,看上去就像一张嘟着嘴,满脸通红的熊猫脸。很多军迷可能一眼就能猜出,始作俑者是谁。

更神奇的是,就算没有云,它们也能“变”出来,并继续作画。比如名叫“F-15鹰式战斗机”的这位:

我们禁不住会问,天空中这些漂亮的造型,飞机是咋弄出来的?要弄清楚这个问题,我们不妨从“飞机为什么能起飞”开始。

所有的教科书都告诉我们,飞机能在天上飞,是因为机翼上下表面的压力不一样,机翼下表面的压力大,机翼上表面的压力小,于是机翼上下表面产生了一个压力差,正是这个压力差,托起了飞机。可要怎样才能产生这个压力差呢,老师又告诉我们,空气流动速度越快,气压就越小。

上图中,用一根水平的玻璃管,朝插在水杯里的玻璃管口吹气时,水会从玻璃管中流出,这是因为,玻璃管口周围,空气流速大,所以气压小,小于正常大气压,于是,大气压把水从杯子中压出来了。

上面的道理很简单,然而,很多人常常不注意,这会带来危险。比如地铁旁,有的人常常离飞驰而过的地铁太近,因为有压差,所以存在被地铁吸过去的危险。

综上所述,要想让机翼上下产生压力差,一个好办法就是让机翼上下表面的空气流动速度不一样,具体就是,机翼上表面的空气流动快,下表面空气流动相对慢。如何做呢?

有几种办法,其中一种是,把机翼的上表面弄凸,比如这种:

机翼的这种设计,会造成空气在机翼上表面的流速大于机翼下表面的流速,这不难理解,想象一下,一条河流,河面很宽的地方,水的流速很慢,当河面在某个地方突然变窄时,水流就会迅速加快。

上图机翼的这种设计,就是要带来类似“河面突然变窄”的效果,当水平的空气(河中的水)快速流向机翼时,如果机翼薄薄的,并且是上下对称,那么显然,机翼上下表面不会产生压力差,如果机翼上表面变凸,这就类似于原本宽宽的河面突然变窄一样,所以,机翼上表面的空气流速远大于下表面,结果是,机翼上方气压小,下方气压大,于是飞机便被顶起来了。

现在,咱们回到最初的问题,天空中那些漂亮的云彩,飞机是怎么弄出来的?

还是继续举例子,我们知道,滑冰运动员之所以能在冰面上优雅地滑行,是因为冰面一直在支撑着运动员的鞋底,同理,飞机能在天上飞翔,是因为飞机下方的大气在支撑着飞机的机翼。然而,空气不像坚硬的冰面,冰面不会变形,但空气会,它被机翼压缩后会变形,会流动到气压低的地方。问题来了,飞机周围,什么地方的气压比较低呢?

现在我们已经知道,机翼上表面的气压很低,所以飞机在天上飞行时,会导致飞机后面的气流向上卷起,这就是人们常说的涡流现象。具体到飞机上,通常叫做“尾涡”,“尾流”,“翼尖涡流”。

美国航空航天局为了研究翼尖涡流,曾经使用红色的烟雾来演示,画面效果非常棒。

有时候,配合红外干扰弹,有些飞机在空中画出的“画”萌态十足,比如 “C-17全球霸王”军用运输机在空中的这幅“画”,堪称杰作:

下方一条一条的云带是“C-17全球霸王”发射红外干扰弹带来的,但是上方类似圆形眼睛的,是由机翼产生的涡流造成的。

还有一些时候,我们能看到这样的美图,空气中没有云彩,但是飞机两端的翼尖会产生两条如“白龙”一样的烟雾。这又是怎么形成的呢?

发生这种现象,常常是空气中的水蒸气比较多,湿气比较大的时候。有飞行员说,他们在飞行时常看到翼尖涡流,而且通常是在空气湿度比较大的时候。

因为翼尖涡流是高速旋转的气体,而上文我们已经阐述,气流运动速度越大,气压越低,所以翼尖涡流内部的气压很低,又因为在一定的条件下,温度与气压成正比,气压的突然降低,会带来温度的骤降(如果我们把瓶子中的气体不断抽出来,那瓶子中的水会结冰),于是翼尖涡流里面的水蒸气就凝结成小水珠,变成你看到的一条“白龙”的样子了。

对后方的飞机,尤其是小飞机来说,前方大飞机产生的翼尖涡流就是一个噩梦。翼尖涡流会让后方的飞机发生侧滚,如果相遇过近,还会让后方飞机的部件损坏。

对于某些机型,翼尖涡流除了对后方的飞机带来危险外,也会给自身带来不稳定,同时还会削弱翼面的升力。为了减弱翼尖涡流,有的机翼会采用翼尖小翼,比如这种:

最后,很多人会把翼尖涡流同另一种更酷炫的现象相混淆,就是下图这种:

上图中的现象与翼尖涡流有着本质的不同,它的通俗叫法是“音爆云”,更准确的名称是“普朗特-格劳厄脱凝结云”,跟“翼尖涡流”比起来,“普朗特-格劳厄脱凝结云”所涉及的物理现象更加的高大上。

请关注“知道日报”,如果有机会,我将在这里与大家继续聊这种壮观的物理现象。

  • 发表于 2014-09-30 00:00
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