论述航模制作中的物理学原理

浏览4次 时间:2019年5月15日 14:15
摘要:航模制作活动是一项智力类的动手实践活动,航模制作是集空气动力、机械、结构学以及气象等多学科为一体的运动。通过制作航模不仅可以提高自己的动手实践能力,而且还可以检验自己的理论知识。随着我国航空航天事业的发展,高中生对于航模制作的积极性越来越高。作为一名热爱航模制作的学生,笔者通过近几年的学习与实践动手,发现航模制作需要大量的物理学知识,因此本文结合自己的制作经验,就航模制作过程中所涉及的物理学原理进行详细的分析,以期为以后的航模制作提供理论参考建议。
关键词:航模制作物理知识科普教育
论述航模制作中的物理学原理
文/郑雨昆
航模制作是集多种学科为一体的活动, 是一项智力类的实践活动。实践证明通过航模制作不仅可以提高自己的实践动手能力和创新能力,而且还可以磨练自己的意志、激发拼搏向上的积极性。随着我国航天事业的不断发展,我国航模制作者越来越多。制作航模需要了解航模制作的基本结构及原理,因此利用多年的制作经验, 通过在学校航空模型社团活动中掌握的相关航模制作基本原理知识等, 提出航模制作中所涉及到的物理原理,以此为其它航模制作者提供理论经验参考,为我国航模制作事业的发展而做出自己的贡献。
一、航模历史发展
飞机模型是人类研制载人飞行器的重要手段, 航模制作对普及航空知识、培养航空人才起着关键性的作用。我国航空模型一词最早出现于1913 年, 在19 世纪40 年代我国航模运动得到发展并且在1947 年举办了首届航空模型比赛,1978 年我国加入世界航空联合会, 标志着我国航模运动正式走向世界。随着我国航空职业的不断发展,我国航模制作者的人数越来越多,例如在2018 年举办的第二十届“飞向北京” 全国青少年航空模型比赛中共有1700 余名运动员、2275 人次参赛,创新历史之最。通过对航模比赛的研究,目前我国航模比赛的种类主要包括(见表1):
表1:航模比赛类别
二、航模制作所涉及的物理学原理
航模制作的过程是应用各种学科知识的过程, 尤其是在航模制作的过程中需要涉及到较多的物理学原理。结合近些年对航模制作过程的研究, 其所涉及的物理学知识主要集中在以下几个方面:
(一)航模外形与空气阻力
事物在运动的过程中受到的空气作用力在运动方向的分力称之为空气阻力。物理学原理表明任何事物在运动的过程中都会受到空气阻力的影响, 空气阻力公式原理说明物体的速度低于200米/秒时,可认为阻力与物体速度大小的平方成正比;速度达到400~600 米/ 秒时,空气阻力和速度大小的三次方成正比;在速度很大的情况下,阻力与速度大小的高次方成正比。因此如何降低空气阻力是航模制作者所需要面临的主要问题之一。物理学原理告知我们水滴状的形状能够适应空气动力学,因为水滴降落的状态所受到空气阻力的影响最小,这样可以提高航模飞行速度。但是由于我们在制作航模过程中基于技术、材料等因素的影响并不能将航模外形设计成水滴形状。对此我们可以借鉴水滴降落状态的原理,结合汽车流水线设计方法, 在航模外形设计上采取流线化的制作工艺手段。采取流线化的外观设计可以减少空气的阻力,其原理主要是:利用空气的流动原理,考虑到影响空气流动的因素,采取降低空气阻力的设计方案。通过与指导教师、同学之间的交流采取流水性的外观设计方案。在航模制作的过程中利用3D 打印技术设计出较为光滑的平滑界面, 这样当航模在飞行的过程中遇到空气阻力时就会借助平滑界面的优势将空气阻力降低到最小, 降低破坏性旋涡的出现, 实现航模飞行速度的稳定。同时还要通过襟翼设计将航模飞行中所遇到的流动空气“铲除”到上方,以此减少空气向下的压力,通过作用力与反作用力保证航模向上的飞行力。
(二)外形与物体分割关系
航模外凸会增加空气阻力, 因此在航模制作的过程中尽可能的将航模外观设计的简单些, 尤其是对于边角突出的部分要进行磨圆处理,以此减少空气阻力。当然航模飞行的过程中会因为速度的不同而对大气造成影响, 进而会直接干扰到航模的飞行速度。例如当航模飞行速度低于影响流体流速时,就不会产生漩涡,进而航模的流动损耗就会小,反之则反之。
因此在航模制作的过程中必须要考虑到飞行流速对大气层的影响,具体到航模制作中则需要对航模机翼的迎角进行设计,如果迎角过大则会直接导致大气流体被分割, 进而产生下压力,导致航模飞行速度下降。
(三)空气动力学知识
航模制作过程中必须要考虑到空气阻力对航模升高的影响,一般航模升高装置主要包括缝翼、导流片等,其外形较为复杂。根据相关资料,航模阻力主要包括压阻、波阻以及诱导阻力等等。因此在航模设计中需要应用到物理公式“P=F/S6”。
根据该公式可以看出航模机翼部分的面积越大其所受到的力就会越大。因此为了提高航模的升高速度,降低空气阻力采取增加航模机翼面积的方式提升航模的性能。另外根据伯努利定理原理(体积一定的流体具有能量守恒的特点),因此根据该原理,在不改变空气流动方向的前提下,如何保证航模飞行的稳定性是航模制作者所必需要面临的问题。例如在实践中经常出现航模飞行到一定高度后会出现摇摆  

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