为什么飞机螺旋桨旋转时产生的是拉力,而电风扇旋转时产生的是风?

为什么飞机螺旋桨旋转时产生的是拉力,而电风扇旋转时产生的是风?

电风扇可是夏天省不了的电器,仲夏夜,空调加上电风扇,再来一部《决战中途岛》,那绝对是一种享受,美军飞行员驾驶着“无畏”式俯冲轰炸机冒着密集的高射炮火,将炸弹了投向了赤城号航母甲板后方,炸弹穿过甲板在机库中爆炸,赤城号弹药殉爆,不就就沉入波光粼粼的太平洋。

但问题来了,这电风扇吹出的是丝丝凉风,而二战的战斗机前面也是个大风扇,却能将飞机拉到天上,两者之间的差距怎么会那么大呢?

螺旋桨飞机是怎么飞上天的?

早期的飞机都是螺旋桨作为动力的,现代飞机则大都是喷气式动力,所以两者起飞的时候有些许差别,因为螺旋桨飞机发动机在前方,重心也在前方,所以是后三点式起落架,起飞时先抬起尾翼。喷气式发动机重心比较靠后,起飞时先抬起机头,其余的飞行原理就差别不大了!

让飞机起飞的真是伯努利原理吗?

说起飞机飞行的原理,即使上网查询告诉你的也是伯努利原理,道理很简单,机翼上方气流速度大于下方,所以上方气压低,下方气压高,所以产生了升力!而且书本上夹张纸条吹口气就知道原理了一目了然,简直好有道理!

但其实飞机如果真的只靠伯努利原理的话,那估计机翼要增加数倍,因为飞机的升力,我们不排除有一部分来自伯努利原理,但更多的是迎角以及涡流和襟翼,还有附面层下洗气流,90%以上的升力都来自这些区域!

飞机的迎角非常关键,它是飞行器升力的主要来源,它必须在一定的迎角内飞行,比如起飞时推力最大,尾翼向下偏转,给一个抬头力矩,迎角比较大,然后襟翼放下,增加升力,起飞爬升后,襟翼渐渐收起,等爬到一定高度后飞机改平,其实此时仍然有一定的迎角,这个是机翼设计时就有一定的迎角,巡航时保持飞行器的升力!

以前的飞机都是液压或者线控式,都是静安定设计,没有所谓的飞控系统,所以人力都必须要随时控制飞机,不能离开驾驶舱,但现代飞机为了节省油料以及获得更好的飞行性能,大都采用静不安定设计,连客机都开始放宽静稳定设计,因为可以带来更高的升阻比,降低油耗等!

但却有一个缺点,放宽静稳定设计后,所有的操纵面大大小小几十个,用人力来控制显然不人道,所以就会有一套飞控系统来控制,但飞控一旦故障,事情就严重了,去年波音737的事故就是迎角传感器故障,导致飞控认为飞机迎角过大而开始自动调整飞机飞行姿态!

攻角传感器(迎角)

然后就反复调整飞机进入俯冲,以增加速度,获得升力,但结果此时飞机并没有迎角偏大,结果飞机在飞行员控制下强行拉起,然后飞控又进入俯冲,最后飞机失去高度坠毁!

飞机迎角是不是很重要?

当然飞机动力更重要!

其实飞机采用什么动力根本就没啥关系,足够的推重比即可,一般喷气式战斗机至少也得0.6左右,大部分三代机都是0.8到1.0,而现代高性能战斗机则是1.1-1.2!

客机和早期的螺旋桨飞机,推重比就很低了,只需要0.1-0.2即可,当然两者机翼形状不一样,早起螺旋桨飞机都是矩形翼,或者椭圆翼,升力比较大,但阻力也大,而且不适合高速飞行!现代飞机的梯形翼或者三角翼,或者两者结合,甚至前掠翼等,都是高性能机翼!

只要有合适的发动机,连板砖都飞起来,英雄不问出处,螺旋桨也能提供动力,它转动把空气向后推,反作用力飞机取得飞行的动力,这个向后推出的空气量产生的拉力和飞机重量相比,就是推重比了,但有几个非常关键的参数就是,螺旋桨形状、桨距和转速。

桨型很关键,如果装个电风扇那样宽大的螺旋桨上去,尽管它排出的空气量确实不小,但还有一个螺旋桨的面积产生的阻力,绝对得不偿失!

还有一个则是桨距,这个很好理解,桨距就是螺旋桨偏转的角度,当然角度越大,风量也越大,但它总有个极限,比如变成90度就没戏了,所以它和转速以及桨型之间有一个关系,最大化利用动力当然是极好的!

不同桨距模式

最后则是转速,螺旋桨尖很容易在高速下突破音速,所以此时螺旋桨尖就气流就分离了,失去了螺旋桨的作用,因此避免超音速气流分离也是高速空气桨的可以课题,这个其实简单,控制转速不就好了么?但同样存在一个效率问题。

电风扇怎么就没飞上天呢?

准确的说电风扇没有上天是因为它的功率太低了,比如直升机全都是螺旋桨产生的升力来来悬停,当然还有部分地效作用,所以直升机悬停分有地效悬停和无地效悬停,相对有地效悬停海拔可以高一些,无地效悬停海拔就比较低了!

差别可不是一般的大

道理很简单,螺旋桨产生的拉力和飞行器重量相等时,即可悬停,有地效悬停就是螺旋桨和地面之间产生类似一个气垫效应托住飞机(当直升机距离地面比较近时,其旋翼下洗气流会受到地面的影响,地面阻碍造成的流场变化使旋翼消耗的诱导功率(用于加速流经旋翼的空气)减小),而无地效悬停就是没有这个气垫效应!所以两者是有比较大差异的!

当电风扇吹风面朝下时,它也产生了气垫效应和推力,但这个力不足以和它自身的重力抗衡,因此它无法起飞,但此时你如果将其放在弹簧秤上称一下,那么就可以明白,此时它的重量降低了,而减少的重量就是电风扇转动时产生的升力,当然电风扇的质量是不会变的。

如果你使用一个大功率的无刷高速电机,装上螺旋桨,然后调节转速,它是会飞起来的,但有一个作用你不可忽视,就是反向扭矩导致的扭转,这就是直升机要尾桨来平衡的原因或者用俄罗斯卡-52类似的串列正反转螺旋桨!

无刷电机+双螺旋浆

或者用麦道著名的MD600N无尾桨直升机,其实在那粗大的尾梁内,有一个从主旋翼下方导入气流经过一个风扇到尾部的开孔,它的好处时候没有尾桨不会不小心打到障碍物!

MD600N直升机尾梁结构

MD600N直升机

用途不同,电风扇要的就是风,飞机螺旋桨要的是拉力,要拉着飞机飞行。要讲清楚这个问题我们可以从飞机的机翼来做一个解剖,飞机的机翼上下面是不一样的,下面的翼面是类似平面的,这样一来空气气流通过时速度就慢,也可以说是正常的流速。上翼面是凸起的,也就是有一个曲率,这样空气气流通过时气流发散,流速快。空气经过机翼被分成上下两股气流,下气流流速慢,压强大,上气流发散,流失快压强小,力都是作用力与反作用力共同存在的,这样下翼面的力就会向上翼面转移,这就是升力。

那么和螺旋桨有什么关系呢?因为螺旋桨的叶片就是一个转动的机翼。例如,美国的鱼鹰运输机就是一个很好的例子。

螺旋桨叶的剖面形状与机翼的剖面形状很相似,前面的翼面曲率大,背面翼面平,并且每支桨叶的前缘与发动机输出轴旋转方向一致,相当于机翼被空气气流吹过,螺旋桨叶片有一个扭角,这个扭角(桨叶角)相当于飞机机翼的迎角,所以,螺旋桨飞机并非是依靠螺旋桨吹动空气推着飞机走,而是拉着飞机走,当然,螺旋桨叶片也会产生向后吹动的空气,这个空气气流理论上可以具有推动飞机飞行的力,实则并不强,因为空气经过螺旋桨叶片后,受到桨叶角的作用会发散,这个吹力不足以带动飞机飞行。
电风扇不需要拉力,而是需要吹力,如果把电风扇的叶片做成螺旋桨飞机的叶片形状,电风扇会跑掉的,也会使风量减少。电风扇叶片不用考虑叶片两面形状不一样,只需要解决叶片扭角就可以,这样风量大。所以,电风扇叶片制作比较简单,不需要两面结构不同,用一片铁片,或者是塑料片就可以了。螺旋桨飞机的螺旋桨则不可以,必须要前后叶面结构不同,一面近乎平面,前面有曲率。

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看看风扇扇叶的形状,都是相对旋转平面扭曲一定的角度弧形,通电后,从扇叶向前扭曲的一侧向扇叶向后扭曲的一侧转动,对前面的空气施加向前的推力,使之向前流动形成风。同时,空气对扇叶施加向后的推力,如果不是风扇质量较大,且底座受到阻力,就会被推得后退。

试想,将风扇的扇叶反过来安装,并且,电动机反向转动,扇叶就会将空气向后推出,同时,空气对扇叶施加向前的推力,扇叶对电动机就产生向前的拉力。

与此类似,飞机的螺旋桨也通过倾斜的桨叶产生拉力。同时,当螺旋桨旋转时,桨叶将空气划开,以桨叶为参照物,空气分别从桨叶的两面流过。由于桨叶的一面(前面)凸起一面(后面)是平的,相同时间内,空气流过前面的路程大于后面,因此,流过前面的空气流速大于后面。根据伯努利原理,流体在流速大的地方压强小,流速小的地方压强大。这样,空气对桨叶的前后两面存在压强差,这个压强差对桨叶产生向前的压力差,对飞机就表现为向前的拉力。

其实飞机螺旋桨和电扇的工作原理是一样的,都是让人凉快的,不然螺旋桨飞机在空中时突然螺旋桨停了,你看他出汗不。

两者在本质上是完全一样的,但是呢题主描述的时候,一个说成是力,一个说成是风。所以,这里面必须要说清楚,力是怎么来的?风又是如何形成的?实际上,叶片的旋转,与空气发生相互作用,两者之间的作用力就是螺旋桨的力,空气被螺旋桨推开,就形成了风。

1、螺旋桨与电风扇——叶片的形状

没见过螺旋桨,肯定见过电风扇,再不济小时候玩过的风车肯定见过。当然,严格来讲,风车跟前两者存在着很大的区别(主动和被动)。不过,其叶片形状比较类似。单个叶片都是不规则形状,成扭曲状。

2、扭曲的叶片——与空气的相互作用

我们生活的空间,到处都充满了空气,虽然我们看不见、摸不着,但是空气真实存在着。螺旋桨,或者电风扇,它们的叶片在旋转过程中,也空气无时无刻发生着相互的作用。就像我们的手,快速抡起来的时候,是可以感知到空气的存在,这个感知其实就是凭借空气对我们手臂的作用。

由于扭曲的叶片,在旋转的时候,在它的旋转的圆周方向上,与空气存在着接触。旋转的叶片会推挤这部分空气,把这部分空气往前推,如下图蓝色箭头。由于空气是流体,叶片附近的空气被叶片往前推开后,后方的空气就会补充进来,如下图红色箭头。于是,就会源源不断地将空气往右推送,形成了风。在这个过程中,叶片推挤空气,空气能够往前运动,根据牛顿定理,必然存在着力的作用

至此,应该已经回答完题主的问题了。但是,我们会发现一个奇怪的问题,为什么螺旋桨的叶片和电风扇的叶片,形状差距这么大?

3、叶片的设计

叶片的具体结构跟需求有关。对于电风扇,只需要合适的风量就可以了,它的转速较小,叶片结构受力也较小,于是那种塑料材质的形状圆圆的就可以满足使用要求了。但是,对于螺旋桨来说,转速较大,其叶片必须经过严格的计算分析,既要满足使用要求,达到其相应的功能,也要保证叶片自身结构的强度和刚度。

实际上,这个分析还是比较复杂的,它不像普通的结构与空气无关。叶片结构与空气密切相关,这就涉及到了固体和流体两种形态。单个分析的时候,应该说是比较容易地。但是固体和流体在一起,分析的时候就复杂一些了。所以,能够生产螺旋桨的企业,一定是有自己技术储备的,并不是随便一个人就能分析成功的(山寨排除在外)

4、总结

无论是螺旋桨,还是电风扇,在旋转的过程中,叶片会与空气发生相互作用,产生作用力,这个力推挤空气,形成风。

叶片的具体形状与使用需求(设计指标)有关,需要经过严格的计算分析,才能保证功能的同时,自身结构够结实。

飞机螺旋桨旋转时产生的确实是拉力,那是因为飞机需要产生这样一种拉力来促使飞机移动、起飞并在空中飞行。而电风扇旋转时确实产生了风,那是因为我们需要产生这样一种定向流动的风来为我们提供清凉的感觉。但是飞机螺旋桨旋转时并不只是产生拉力,同时也会产生电风扇那样定向流动的风。

而电风扇旋转的时候,除了能够提供源源不断的风以外,还会和飞机受到的拉力一样,电风扇也会受到一个推力,但是电风扇并不需要这样一种力来移动,所以在电风扇的设计过程中,会把底座做的很重,使电风扇在最高速运行的时候所产生的推力也不至于将电风扇推倒,所以电风扇才会纹丝不动。如果你把电风扇的底座去掉一块儿试一试,有可能电风扇就会被风吹倒,如果你在电风扇运行时将电风扇提离地面,你就能感受到这个力的存在,说明力的存在,但这是很危险的。

无论是螺旋桨飞机还是电风扇的扇叶,都是利用了流体在曲面流动的时候,在曲面的两面的速度不一样,使静止的空气出现了定向移动。它们原理是一种的,这属于流体力学的内容。

当然,飞机螺旋桨和风扇的风向是相反的,飞机螺旋桨的风是由飞机前向飞机后吹的,如果在飞机螺旋桨旋转的时候你在机后就会感觉到它是一个巨大的风扇。而电风扇的风是电风扇后端向前端吹的,如果在电风扇旋转的时候,你在后面举一张白纸,白纸就会轻松的被电风扇吸向护罩。风向和力都是根据不同的物体的用途不同而有所选择的,并非飞机的螺旋桨只产生拉力,而电风扇的扇叶只产生风。

(图片来源于网络)

飞机螺旋桨后面也会产生风的。电风扇也会产生拉力/推力。

螺旋桨和电风扇叶片的区别,一个是叶片细长,一个是短粗。电风扇也有圆短的,像船舶的螺旋桨。船舶螺旋桨转动的时候,水流加速流动。这和电风扇的效果是一样的。

那为什么电风扇有拉力却不移动呢?主要是功率不够。电风扇使用电动机,依靠磁铁线圈产生旋转。电磁铁非常重,一台风扇的电动机功率才几十瓦,几百瓦,发出的功率和重量之比很小,推不动风扇运动。

二战时期战斗机发动机有一千多马力,折合1兆瓦。相当于一两万台电风扇。按照一台风扇至少一公斤计算,一万台就是至少10吨重。这么重的飞机依靠电风扇的推力根本飞不起来。

二战时期战斗机才几吨重。相同的发动机功率,可以推动飞机,飞机可以飞起来。

此外,螺旋桨的剖面采用增加升力的翼型,比风扇的平板叶片效能更高,产生的拉力更大。

螺旋桨和风扇都是既产生拉力,又加速空气流动形成风。由于自身重量-功率的比值不一样,一个可以移动,一个不动。风扇产生的力被忽视了。

谁说螺旋桨旋转时只能产生拉力,它也会产生风,而且风还会更大。前些日子曾有报导称一架广告直升机螺旋桨的风把屋顶都掀掉了,这显然比电扇的风大多了。

螺旋桨既可以产生推力也能拉力,因为桨叶带有一定角度,旋转时会把空气压向一侧,这就使空气开始流动,而流动的空气就是风。

风的相反方向就是螺旋桨的受力方向,由于方向相反故又被称为反作用力。在这一点上电扇的扇叶和螺旋桨的桨叶在本质上是一样的。

电扇在吹风时也会有反作用力,所以电扇底座很大很重,就是要防止反作用力把它推倒。

不过电扇和螺旋桨在设计上还是有些区别的。家用电扇通常需要柔和一些的风,因此转速较慢叶片也比较宽大。而飞机螺旋桨的尺寸相对机身来说非常小,要产生足够推力和滿足高速飞行需求,就要有很高的转速,所以桨叶呈细长形状。以上是我的回答。

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很简单,你站在飞机螺旋桨后面,不就能感到飞机螺旋桨往后吹的风了么?

同样的,如果你拿一张纸从后面慢慢靠近电风扇,那张纸一样会被吸到电风扇的金属框架上。

二者的原理本质上是一样的啊…

其实螺旋桨也可以看做是巨大的风扇,飞机的螺旋桨旋转时也会产生风,而电风扇旋转时也会产生力的效果。

飞机螺旋桨拉力的产生

螺旋桨式飞机在空中飞行时,主要受到空气阻力、重力、飞机升力和螺旋桨提供的前进动力。飞机的螺旋桨根据不同的安装部位,可以提供不同的施力效果,如果把螺旋桨按照在飞机尾部,则螺旋桨本身提供的是推力,这一点和船舶的水下螺旋桨施力效果类似。比如美国的B-36轰炸机。

我们知道飞机的升力通常用伯努利定理和牛顿第三定律来解释,而旋转的螺旋桨在一定意义上就相当于在空气中飞行的机翼,二者都是依靠空气本身来获得力的效果。由伯努利定理可知,在流体系统中流体的流速快则压力小,流速慢则压力大,因此和飞机的机翼类似,螺旋桨也具有弧形的表面设计,当螺旋桨飞速旋转时,其效果就相当于空气中快速划过的机翼,因此螺旋桨产生的拉力其实来自于桨叶表面的压力差。

对航空知识较为了解的朋友应该知道,飞机的螺旋桨也有固定桨距和可变桨距之分,可调桨距机构可以使螺旋桨叶片产生扭角,当螺旋桨旋转时会产生向后“推”空气的分量,由牛顿第三定律可知,空气本身也会对螺旋桨施加向前的作用力,因此具有倾角的螺旋桨旋转时,其拉力的形成原因主要是伯努利定理和牛顿第三定律。

直升机可以看做是螺旋桨被安装在顶部的飞行器,此时螺旋桨主要提供飞机飞行的升力和前进的动力,我们可以从下图明显的看出,螺旋桨旋转时不仅产生升力(拉力),同样会推动空气形成风。

电风扇更主要是为了获得风,但也有力的效果

在空调没有普及到千家万户之前,电风扇是每个家庭夏日必备的降暑神器。电风扇其实和飞机的螺旋桨非常类似,或者我们可以将其看做是具有一定倾角的固定桨距螺旋桨,但是如果我们细心观察会发现,电风扇的叶片大都是简单的平面式结构,叶片的倾角比较大,这其实是为了以更高的效率来对空气施加作用力从而获得风,由牛顿第三定律可知,风扇推动空气形成风,风扇本身也会受到力的作用,因此旋转的电风扇也会受到力的影响。

如果我们手持电风扇,并将其拨到最快转速档位,也是会明显的感受到来自空气的作用力的,除此之外,我们也可以将电风扇放到木板上,让其漂浮在水中,当电风扇开启时,我们会看到木板会向电风扇的后方移动,这其实类似于气垫船的前进原理。

在日常生活,我们所使用的电风扇通常分为台式/落地式电风扇和吊顶式电风扇,小时候常常担心吊顶式电风扇会掉下来,把我的脑袋给削了,如果小时候了解牛顿第三定律,坐在吊扇下吃饭的我或许会少一些担心。估计牛顿第三定律,如果吊扇在未旋转的状态下不会掉下来,那么旋转时的吊扇就更不会掉下来了,因为工作状态的电风扇会把空气向下推,其必然受到向上的作用力。

总结

飞机螺旋桨旋转时不仅会有拉力的产生也会有风的形成,但其主要是为了获得力的效果;电风扇旋转时不仅有风的产生也有力的存在,但其主要是为了产生风。

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