大气结构 飞行所处的大气是环绕地球并贴近其表面的一层空气包层。它是地球的相当重要的一个组成部分，就像海洋或者陆地一样。然而，空气不同于陆地和水是因为它是多种气体的混合物。它具有质量，也有重量和不确定的形状。空气像其它任何流体一样，由于分子内聚力的缺乏，当受到非常微小的压力时就会流动和改变它的形状。例如，气体会充满任何装它的容器，膨胀和传播直到其外形达到容器的限制。大气的组成是由78％的氮气，21％的氧气以及1％的其它气体，如氩气和氦气。由于部分元素比其它的重，较重的气体如氧气有个天然的趋势，会占据地球的表面，而较轻的气体会升到较高的区域。这就解释了为什么大多数氧气包含在35000英尺高度以下。 大气压力 尽管有多种压力，这里的讨论主要涉及大气压力。它是天气变化的基本因素之一，帮助提升飞机，也驱动飞机里的某些重要飞行仪表。这些仪表是高度仪，空速指示仪，爬升率指示仪和进气压力表。虽然空气很轻，也受重力吸引的影响。因此，和其它物质一样，由于有重量，就产生了力量。由于它是流体物质，朝各个方向施加的力是相等的，它作用于空气中物体的效果就是压力。在海平面的标准条件下，由于大气重量而施加于人体的平均压力大约14.7lb/in。空气密度对飞机的性能有重大的影响。如果空气密度变低： · 飞机会降低动力，因为发动机吸收更少的空气。 · 降低推力，因为螺旋桨在稀薄的空气里更低效。 · 降低升力，因为稀薄的空气对机翼施加的力量更小。 压力对密度的影响 由于空气是气体，它可以被压缩或者膨胀。当空气被压缩时，一定的容积可以容纳更多的空气；相反的，当一定容积上空气的压力降低时，空气会膨胀且占据更大的空间，那是因为较低压力下的最初空气体积容纳了更少质量的空气。换句话说，就是空气密度降低了。事实上，密度直接的和压力成比例。如果压力增倍，密度也就增倍；如果压力降低，密度也就相应的降低。这个说法只在恒定温度条件下成立。温度对密度的影响 增加一种物质的温度的效果就是降低其密度。相反的，降低温度就有增加密度的效果。这样，空气密度就和绝对温度成反比例变化。这个说法只在恒定压力的条件下成立。在大气中，温度和压力都随高度而下降，对密度的影响是矛盾的。然而，随着高度的增加压力非常快的下降是占主要影响的。因此，可以预期密度是随高度下降的。湿度对密度的影响 前面段落的叙述都假设空气是完全干燥的。实际上，空气从不是完全干燥的。空气中的少量水蒸气在特定情况下几乎可以忽略，但是在其它条件下湿度可能成为影响飞机性能的重要因素。水蒸气比空气轻，因此，湿空气比干空气要轻。在给定的一组条件下，空气包含最多的水蒸气则其密度就最小。温度越高，空气中能包含的水蒸气就越多。当对比两个独立的空气团时，第一个温暖潮湿（两个因素使空气趋于变轻）的和第二个寒冷干燥（两个因素使得空气变重）的气团，第一个的密度必定比第二个低。压力，温度和湿度对飞机性能有重要的影响，就是因为它们直接影响空气密度。运动和力的牛顿定律 在17世纪，哲学家和数学家牛顿提出了三个基本的运动定律。它在这样做的时候脑子里确定无疑的没有飞机这个概念，但是几乎所有已知的运动都可以回到这三个定律。这些定律以牛顿的名字命名如下：牛顿第一定律： 一个静止的物体有维持其静止状态的特性，运动中的物体有维持其原有速度和方向的特性。简而言之，本质上，一个物体一直保持其运动状态直到有外界力量改变它。停机坪上的静止飞机会一直保持静止，除非施加一个足够强的克服其惯性的力。然而，一旦其开始运动，它的惯性会让它保持运动，克服施加于飞机上的各种其它力量。这些力量或推动其运动，或减慢其速度，或改变它的方向。 牛顿第二定律： 当一个物体受到一个恒定力的作用时，其加速度和物体的质量成反比，和物体所施加的力成正比。这里所涉及的就是克服牛顿第一定律的惯性因素。其包含方向和速度的改变，有两层含义：从静止到运动（正加速度）和从运动到停止（负加速度或者减速）。 牛顿第三定律： 无论何时一个物体对另一个物体施加力量，那么另一个物体也对这个物体施加力量，这个力的大小是相等的，而方向是相反的。开火时，枪的反作用力是牛顿第三定律的形象化例子；游泳冠军在折回时，对游泳池壁施加反作用力；婴儿学步－都会失败，但是现象都表现了这个定律。飞机上，螺旋桨转动向后推动空气，所以，空气向相反的方向推螺旋桨－飞机前进。在喷气式飞机上，发动机向后推动热空气气流，作用于发动机的反向等大小的作用力推动发动机，使得飞机前进。所有交通工具的运动都形象的演示了牛顿第三运动定律。 马格努斯效应 通过观察气流中旋转的圆柱，可以很好的解释升力的原因。靠近圆柱的局部速率由气流速度和圆柱的旋转速率共同决定，距离圆柱越远其速率越低。对于圆柱，顶部表面的旋转方向和气流方向一致，顶部的局部速率高，底部的速率低。如下图所示，在A点，气流线在分支点分开，这里有个停滞点，一些空气向上，一些空气向下。另一个停滞点在B 点，两个气流汇合，局部速度相同。现在圆柱面前部有了升流，后面有降流。 压力的伯努利原理 牛顿发表其定律的半个世纪之后，一个瑞士数学家伯努利先生解释了运动流体（液体或者气体）的压力，是如何随其运动速度而变化的。特别说道运动或者流动的速度增加会导致流体压力的降低，这就是空气通过飞机机翼上曲面所发生的。可以使用普通管子里的水流来作个模拟。在恒定直径的管子中流动的水对管壁施加一致的压力；但是如果管子的一段直径增加或者降低，在那点水的压力是肯定要变化的。假设管子收缩，那么就会压缩这个区域里的水流。假设在一样的时间流过收缩部分管子的水量和管子收缩前是一样的，那么这个点的水流速度必定增加。 因此，如果管子的一部分收缩，它不仅增加流速，还降低了所在点的压力。流线型的固体（机翼）在管子中同一点也会得到类似的结果。这个原理是空速测试和机翼产生升力能力分析的基础。 伯努利定理的实践应用是文氏管。文氏管的入口比喉部直径大，出口部分的直径也和入口一样大。在喉部，气流速度增加，压力降低；在出口处气流速度降低，压力增加。如下图所示。 来源：摘录自《飞行员航空知识手册（中文版）》 |
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