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“小飞象”真的能靠耳朵飞起来么?

2019-04-30飞鱼

科学Fans 2019年4期
关键词:小飞象迎角升力

飞鱼

怎样才能飞离地面?

简单来说:只要升力大于自身重力,就可以“起飞”

什么是升力呢?你可以想象有一根看不见的绳子把物体向上拉,这根绳子就是升力。根据牛顿第三定律,任何相对稳定的物体都会同时受到两个大小相等、方向相反的力。升力和物体本身的重力(由于地球吸引,让一切物体踏踏实实落在地上的力),就是这样一对“冤家”。

那么向上拉的“升力”从哪儿来呢?方法有很多:假如你有一双健壮的大腿,只要用力向下一蹬,就可以让自己腾空而起,在空中停留个半秒钟吧。不过如果想“悬”在空中,还需要持续施加升力才行。比如我们见到火箭向下持续喷射出“火焰”,当这个力比自身重力大时,火箭就会一直上升飞走了。

鸟的翅膀有一个很精巧的结构,它的上表面凸起,下表面凹进,当鸟向前飞行时,气流划过翅膀,在上表面的空气由于受到凸起的挤压流速变快,压力变小,下表面的空气流速较慢,压力较大,翅膀上下表面的压力差(即伯努利效应)给鸟儿一个向上托起的力,即升力。空气流过翅膀的速度越快,这种升力就越大,很多大型的鸟类(比如鹤)为了起飞,先要在地面上奔跑一段距离才能离开地面。

你可能会说,这些不算“飞”,要像鸟一样扇动翅膀的姿势才算。没错,鸟类是地球上最善于飞翔的生物,它们可不想只是蹦跶一下离开地面,也没有持续喷射“火焰”的能力,它们的飞行法宝是——利用空气!鸟如何利用空气产生升力呢?空气几乎看不见摸不着(密度非常小),是怎样托起鸟的身体呢?没错,因为那对宽大的翅膀。当鸟的翅膀划过空气,空气就会给翅膀一个向上托起的升力。

现代飞机的机翼就是根据鸟儿翅膀的构造研发出来的。科学家们还发现,当机翼迎风部分稍稍上翘时,空气受到机翼上表面凸起部分的诱导,会向下后方偏转,可以给机翼更多的向上托起的升力(又称康达效应)。这个“上翘”的角度学名叫做“迎角”,在一定范围内,迎角越大,翅膀产生的升力就越多,不过同时产生的阻力也会增大,到达一定角度时就不能再大了,否则阻力就大于升力。所以鸟的翅膀通常会上下扇动,迎角不断变化,不仅要靠翅膀产生向上的升力,还要同时靠它产生向前的推力,比飞机的固定机翼“聪明”得多。这个能力,人类到现在也没完全学会。

由于升力至少要等于重力才能起飞,所以:L=G=mg =75×9.8,代入升力公式L=1/2Cyρv 2S,算出来的“耳朵”(机翼)面积约24.57m2 !小象耳宽0.457m,则需要耳朵展开长度约53.76m,单耳长度需达26m 多。然而事实上,大象的耳朵大小还要分种类,比如小飞象的妈妈就是个头小、耳朵也小的亚洲象,而耳朵大的非洲象,个头又超标了。

耳朵够大,就能起飞吗?

似乎没那么容易

想要靠扇動一对翅膀(或大耳朵)就飞离地面,还真没那么容易。科学家通过研究发现,要想获得更大的升力,需要满足以下几个条件:

一、速度足够快,升力的大小和气流流过机翼速度的平方成正比;

二、“翅膀”的面积足够大,升力的大小和空气流过机翼的有效面积成正比。

通过大量试验, 科学家总结出了升力的公式: 升力L=1/2Cyρv 2S ,(其中,L为升力,单位为N;Cy为升力系数,我们在这里假设为1.5;ρ是空气密度,为1.29kg/m3;v是空气流过“翅膀”的速度,单位m/s;S是“翅膀”中产生升力的有效面积,单位m2)。另外,科学家们还发现了影响升力的其他重要因素,比如公式中的Cy 是升力系数,它是一个变化多端的数值,它和上面提到的“迎角”有关,还和“翅膀”剖面的弯曲形状等很多因素有关。

那么动画中的小飞象到底能不能靠扇动耳朵起飞呢?我们来算一算:动画中的小飞象是一只体重75kg 的小宝宝,它能以每小时20km/h的速度奔跑,那么它需要多大的“耳朵”,才能像仙鹤一样,优雅地飞起来?

所以,小飞象要想靠耳朵飞行,比较靠谱的方法是:一、减肥,把体重降下来;二、体重降不下来的话,只有腿脚麻利点了,把自己的速度练得快如闪电,想起飞估计就没太大问题了。

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