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飛行基礎(chǔ)知識(shí)學(xué)習(xí) 飛行的原理

本篇文章我們來講解一下飛行中支配作用于飛機(jī)上力的基本物理定律,以及這些自然定律和力對(duì)飛機(jī)性能特性的影響。為了勝任的控制飛機(jī),飛行員必須理解涉及的原理,學(xué)會(huì)利用和抵制這些自然力。

現(xiàn)代通用航空飛機(jī)可能有相當(dāng)高的性能特性。因此,飛行員充分領(lǐng)會(huì)和理解飛行藝術(shù)所依賴的原理是越來越必要的。

大氣結(jié)構(gòu)

飛行所處的大氣是環(huán)繞地球并貼近其表面的一層空氣包層。它是地球的相當(dāng)重要的一個(gè)組成部分,就像海洋或者陸地一樣。然而,空氣不同于陸地和水是因?yàn)樗嵌喾N氣體的混合物。它具有質(zhì)量,也有重量,和不確定的形狀??諝庀笃渌魏瘟黧w一樣,由于分子內(nèi)聚力的缺乏,當(dāng)受到非常微小的壓力時(shí)就會(huì)流動(dòng)和改變它的形狀。例如,氣體會(huì)充滿任何裝它的容器,膨脹和傳播直到其外形達(dá)到容器的限制。

大氣的組成是由 78%的氮?dú)猓?1%的氧氣以及 1%的其它氣體,如氬氣和氦氣。由于部分元素比其它的重,較重的氣體如氧氣有個(gè)天然的趨勢,會(huì)占據(jù)地球的表面。而較輕的氣體會(huì)升到較高的區(qū)域。這就解釋了為什么大多數(shù)氧氣包含在 35000 英尺高度以下。

因?yàn)榭諝庥匈|(zhì)量也有重量,它是一個(gè)物體,作為一個(gè)物體,科學(xué)定律會(huì)向其它物體一樣對(duì)氣體起作用。氣體駐留于地球表面之上,它有重量,在海平面上產(chǎn)生的平均壓力為每平方英寸14.7 磅,或者 29.92 英寸水銀柱高度。由于其濃度是有限的,在更高的高度上,那里的空氣就更加稀薄。由于這個(gè)原因,18000 英尺高度的大氣重量僅僅是海平面時(shí)的一半。

大氣壓力

盡管有多種壓力,這里的討論主要涉及大氣壓力。它是天氣變化的基本因素之一,幫助提升飛機(jī),也驅(qū)動(dòng)飛機(jī)里的某些重要飛行儀表。這些儀表是高度儀,空速指示儀,和爬升率指示儀,和進(jìn)氣壓力表。

雖然空氣很輕,也受重力吸引的影響。因此,和其它物質(zhì)一樣,由于有重量,就產(chǎn)生了力量。由于它是流體物質(zhì),朝各個(gè)方向施加的力是相等的,它作用于空氣中物體的效果就是壓力。在海平面的標(biāo)準(zhǔn)條件下,由于大氣重量而施加于人體的平均壓力大約 14.7lb/in??諝饷芏葘?duì)飛機(jī)的性能有重大的影響。如果空氣密度變低,1)飛機(jī)會(huì)降低動(dòng)力,因?yàn)榘l(fā)動(dòng)機(jī)吸收更少的空氣,2)降低推力,因?yàn)槁菪龢谙”〉目諝饬Ω托В?)降低升力,因?yàn)橄”〉目諝鈱?duì)機(jī)翼施加的力量更小。

壓力對(duì)密度的影響

由于空氣是氣體,它可以被壓縮或者膨脹。當(dāng)空氣被壓縮時(shí),一定的容積可以容納更多的空氣。相反的,當(dāng)一定容積上空氣的壓力降低時(shí),空氣會(huì)膨脹且占據(jù)更大的空間。那是因?yàn)檩^低壓力下的最初空氣體積容納了更少質(zhì)量的空氣。換句話說,就是空氣密度降低了。事實(shí)上,密度直接的和壓力成比例。如果壓力增倍,密度也就增倍,如果壓力降低,密度也就相應(yīng)的降低。這個(gè)說法只在恒定溫度條件下成立。

溫度對(duì)密度的影響

增加一種物質(zhì)的溫度的效果就是降低其密度。相反的,降低溫度就有增加密度的效果。這樣,空氣密度就和絕對(duì)溫度成反比例變化。這個(gè)說法只在恒定壓力的條件下成立。在大氣中,溫度和壓力都隨高度而下降,對(duì)密度的影響是矛盾的。然而,隨著高度的增加壓力非常快的下降是占主要影響的。因此,可以預(yù)期密度是隨高度下降的。

濕度對(duì)密度的影響

前面段落的敘述都假設(shè)空氣是完全干燥的。實(shí)際上,空氣從不是完全干燥的??諝庵械纳倭克魵庠谔囟ㄇ闆r下幾乎可以忽略,但是在其它條件下濕度可能成為影響飛機(jī)性能的重要因素。水蒸氣比空氣輕,因此,濕空氣比干空氣要輕。在給定的一組條件下,空氣包含最多的水蒸氣則其密度就最小。溫度越高,空氣中能包含的水蒸氣就越多。當(dāng)對(duì)比兩個(gè)獨(dú)立的空氣團(tuán)時(shí),第一個(gè)溫暖潮濕(兩個(gè)因素使空氣趨于變輕)的和第二個(gè)寒冷干燥(兩個(gè)因素使得空氣變重)的氣團(tuán),第一個(gè)的密度必定比第二個(gè)低。壓力,溫度和濕度對(duì)飛機(jī)性能有重要的影響,就是因?yàn)樗鼈冎苯佑绊懣諝饷芏取?/p>

運(yùn)動(dòng)和力的牛頓定律

在 17 世紀(jì),哲學(xué)家和數(shù)學(xué)家 牛頓提出了三個(gè)基本的運(yùn)動(dòng)定律。它在這樣做的時(shí)候腦子里確定無疑的沒有飛機(jī)這個(gè)概念,但是幾乎所有已知的運(yùn)動(dòng)都可以回到這三個(gè)定律。這些定律以牛頓的名字命名如下:

牛頓第一定律:一個(gè)靜止的物體有維持其靜止?fàn)顟B(tài)的特性,運(yùn)動(dòng)中的物體有維持其原有速度和方向的特性。

簡而言之,本質(zhì)上,一個(gè)物體一直保持其運(yùn)動(dòng)狀態(tài)知道有外界力量改變它。停機(jī)坪上的靜止飛機(jī)會(huì)一直保持靜止除非施加一個(gè)足夠強(qiáng)的克服其慣性的力。然而,一旦其開始運(yùn)動(dòng),它的慣性會(huì)讓它保持運(yùn)動(dòng),克服施加于飛機(jī)上的各種其它力量。這些力量或推動(dòng)其運(yùn)動(dòng),或減慢其速度,或改變它的方向。

牛頓第二定律:當(dāng)一個(gè)物體收到一個(gè)恒定力的作用時(shí),其加速度和物體的質(zhì)量成反比,和物體的所施加的力成正比。

這里所涉及的就是克服牛頓第一定律的慣性的因素。其包含方向和速度的改變,有兩層含義:從靜止到運(yùn)動(dòng)(正加速度)和從運(yùn)動(dòng)到停止(負(fù)加速度或者減速)。

牛頓第三定律:無論何時(shí)一個(gè)物體對(duì)另一個(gè)物體施加力量,那么另一個(gè)物體也對(duì)這個(gè)物體施加力量,這個(gè)力的大小是相等的,而方向是相反的。

開火時(shí)槍的反作用力是牛頓第三定律的形象化例子。游泳冠軍在折回時(shí)對(duì)游泳池壁施加反作用力,或者嬰兒學(xué)步-都會(huì)失敗,但是現(xiàn)象都表現(xiàn)了這個(gè)定律。飛機(jī)上,螺旋槳轉(zhuǎn)動(dòng)向后推動(dòng)空氣,所以,空氣向相反的方向推螺旋槳-飛機(jī)前進(jìn)。在噴氣式飛機(jī)上,發(fā)動(dòng)機(jī)向后推動(dòng)熱空氣氣流,作用于發(fā)動(dòng)機(jī)的反向等大小的作用力推動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī),使得飛機(jī)前進(jìn)。所有交通工具的運(yùn)動(dòng)都形象的演示了牛頓第三運(yùn)動(dòng)定律。

馬格努斯效應(yīng)

通過觀察氣流中旋轉(zhuǎn)的圓柱可以很好的解釋升力的原因。靠近圓柱的局部速率由氣流速度和圓柱的旋轉(zhuǎn)速率共同決定,距離圓柱越遠(yuǎn)其速率越低。對(duì)于圓柱,頂部表面的旋轉(zhuǎn)方向和氣流方向一致,頂部的局部速率高,底部的速率低。

在 A 點(diǎn),氣流線在分支點(diǎn)分開,這里有個(gè)停滯點(diǎn);一些空氣向上,一些空氣向下。另一個(gè)停滯點(diǎn)在 B 點(diǎn),兩個(gè)氣流匯合,局部速度相同?,F(xiàn)在圓柱面前部有了升流,后面有降流。表面局部速度的差別說明壓力的不同,頂部壓力比底部低。低壓區(qū)產(chǎn)生向上的力稱為“馬格努斯效應(yīng)”。這種機(jī)械降低的循環(huán)演示了旋轉(zhuǎn)和升力之間的關(guān)系。正迎角的機(jī)翼產(chǎn)生的氣流使得機(jī)翼尾部的停滯點(diǎn)稱為尾部邊緣的尾巴,而前面的停滯點(diǎn)前到機(jī)翼邊緣的下方。

壓力的伯努利原理

牛頓發(fā)表其定律的半個(gè)世紀(jì)之后,一個(gè)瑞士數(shù)學(xué)家伯努利先生解釋了運(yùn)動(dòng)流體(液體或者氣體)的壓力是如何隨其運(yùn)動(dòng)速度而變化的。特別的,它說道運(yùn)動(dòng)或者流動(dòng)的速度增加會(huì)導(dǎo)致流體壓力的降低。這就是空氣通過飛機(jī)機(jī)翼上曲面所發(fā)生的。

可以使用普通管子里的水流來作個(gè)模擬。在恒定直徑的管子中流動(dòng)的水對(duì)管壁施加一致的壓力;但是如果管子的一段直徑增加或者降低,在那點(diǎn)水的壓力是肯定要變化的。假設(shè)管子收縮,那么就會(huì)壓縮這個(gè)區(qū)域里的水流。假設(shè)在一樣的時(shí)間流過收縮部分管子的水量和管子收縮前是一樣的,那么這個(gè)點(diǎn)的水流速度必定增加。

因此,如果管子的一部分收縮,它不僅增加流速,還降低了所在點(diǎn)的壓力。流線型的固體(機(jī)翼)在管子中同一點(diǎn)也會(huì)得到類似的結(jié)果。這個(gè)一樣的原理是空速測試和機(jī)翼產(chǎn)生升力能力分析的基礎(chǔ)。

伯努利定理的實(shí)踐應(yīng)用是文氏管。文氏管的入口比喉部直徑大,出口部分的直徑也和入口一樣大。在喉部,氣流速度增加,壓力降低;在出口處氣流速度降低,壓力增加。

機(jī)翼設(shè)計(jì)

由于機(jī)翼利用其在空氣中的運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生力量,下面我們來講解機(jī)翼結(jié)構(gòu)以及前面討論的牛頓和伯努利定律的材料。

機(jī)翼是一種利用其表面上運(yùn)動(dòng)的空氣來獲得反作用力的結(jié)構(gòu)。當(dāng)空氣受到不同的壓力和速度時(shí),其運(yùn)動(dòng)方式多種多樣。但是這里討論的是限于飛行中飛行員最關(guān)心的那些部分,也就是說機(jī)翼是用來產(chǎn)生升力的。看一下典型的機(jī)翼剖面圖,如機(jī)翼的橫截面,就可以看到幾個(gè)明顯的設(shè)計(jì)特征。

請(qǐng)注意機(jī)翼的上表面和下表面的彎曲(這個(gè)彎曲稱為拱形)是不同的。上表面的彎曲比下面的彎曲更加明顯,下表面在大多數(shù)具體機(jī)翼上是有點(diǎn)平的。在圖 2-5 中,注意機(jī)翼剖面的兩個(gè)極端位置的外觀也不一樣,飛行中朝前的一端叫 前緣,是圓形的,而另一端叫尾緣,相當(dāng)?shù)募?,呈錐形。

在討論機(jī)翼的時(shí)候經(jīng)常使用一條稱為弦線的參考線,一條劃過剖面圖中兩個(gè)端點(diǎn)前緣和后緣的直線。弦線到機(jī)翼上下表面的距離表示上下表面任意點(diǎn)的拱形程度。另一條參考線是從前緣劃到后緣的,叫“平均彎度線”。意思是這條線到上下表面輪廓是等距離的。機(jī)翼的構(gòu)造通過成形來利用空氣的對(duì)應(yīng)于特定物理定律的作用使得提供大于它的重量的作用力。它從空氣獲得兩種作用力:一種是從機(jī)翼下方空氣產(chǎn)生的正壓升力,另外就是從機(jī)翼上方產(chǎn)生的反向壓力。

當(dāng)機(jī)翼和其運(yùn)動(dòng)方向成一個(gè)小角度傾斜是,氣流沖擊相對(duì)較平的機(jī)翼下表面,空氣被迫向下推動(dòng),所以導(dǎo)致了一個(gè)向上作用的升力,而同時(shí)沖擊機(jī)翼前緣上曲面部分的氣流斜向上運(yùn)動(dòng)。也就是說,機(jī)翼導(dǎo)致作用于空氣的力,迫使空氣向下,同時(shí)也就提供了來自空氣的相等的反作用力,迫使機(jī)翼向上。如果構(gòu)造機(jī)翼的形狀能夠?qū)е律Υ笥陲w機(jī)的重量,飛機(jī)就可以飛起來。

然而,如果所有需要的力僅僅來自于機(jī)翼下表面導(dǎo)致的空氣偏流,那么飛機(jī)就只需要一個(gè)類似風(fēng)箏的平的機(jī)翼。當(dāng)然,情況根本不是這樣;在特定條件下被擾亂的機(jī)翼尾部氣流會(huì)足夠?qū)е嘛w機(jī)失去速度和升力。支撐飛機(jī)所需力的平衡來自機(jī)翼上方的氣流。這里它是飛行的關(guān)鍵。大部分升力來自機(jī)翼上部氣流的下洗流(因機(jī)翼所產(chǎn)生的下降氣流)的結(jié)果,這個(gè)事實(shí)必須透徹的理解才能繼續(xù)深入的研究飛行。然而,給機(jī)翼上表面產(chǎn)生的力和下表面產(chǎn)生的力指定一個(gè)具體的百分比是既不正確也達(dá)不到實(shí)際目的。這些(來自上下表面的力以及它們的比例)都不是恒定值,它們的變化不僅取決于飛行條件還和不同的機(jī)翼設(shè)計(jì)有關(guān)。

應(yīng)該明白不同的機(jī)翼有不同的飛行特性。在風(fēng)洞和實(shí)際飛行中測試了成千上萬種機(jī)翼,但是沒有發(fā)現(xiàn)一種機(jī)翼能夠滿足每一項(xiàng)飛行要求。重量,速度和每種飛機(jī)的用途決定了機(jī)翼的外形。很多年前人們就認(rèn)識(shí)到產(chǎn)生最大升力的最有效率的機(jī)翼是一種有凹陷的下表面的勺狀機(jī)翼。后來還認(rèn)識(shí)到作為一種固定的設(shè)計(jì),這種類型的機(jī)翼在產(chǎn)生升力的時(shí)候犧牲了太多的速度,因此不適合于高速飛行。然而,有一個(gè)需要說明的有趣事情,通過工程上巨大的進(jìn)步,

今天的高速噴氣機(jī)又開始利用勺狀機(jī)翼的高升力特性這個(gè)優(yōu)勢。前緣(Kreuger)襟翼和后緣襟翼從基本機(jī)翼結(jié)構(gòu)向外延伸時(shí),直接的把機(jī)翼的外形變化為經(jīng)典的勺狀形態(tài),這樣就能夠在慢速飛行條件下產(chǎn)生大的多的升力。

另一方面,特別流線型的機(jī)翼有時(shí)候風(fēng)阻力很小,沒有足夠的升力讓飛機(jī)離地。這樣,現(xiàn)代飛機(jī)機(jī)翼在設(shè)計(jì)上采取極端之間的中庸,外形根據(jù)飛機(jī)的設(shè)計(jì)需要而變化。顯示了部分更加普通的機(jī)翼剖面。

低壓在上

在一個(gè)風(fēng)洞或者飛行中,機(jī)翼僅僅是插入到空氣流中的流線型物體。如果機(jī)翼剖面是淚珠型外形,流過機(jī)翼上下表面兩邊的空氣速度和壓力的變化是一樣的。但是如果淚珠狀機(jī)翼沿縱向切去一般,就可以產(chǎn)生構(gòu)成基本機(jī)翼剖面的外形。如果機(jī)翼有傾角,氣流就以一個(gè)角度沖擊它,由于上表面的彎曲引起運(yùn)動(dòng)距離的增加,導(dǎo)致機(jī)翼上表面移動(dòng)的空氣分子就被迫比沿下表面移動(dòng)的分子更快。速度的增加降低了機(jī)翼上部的壓力。

伯努利壓力原理本身沒有解釋機(jī)翼上表面的壓力分布情況。后面將介紹流經(jīng)靠近機(jī)翼曲面的不同路徑上空氣沖力的影響。

沖力是一種使物體運(yùn)動(dòng)方向或大小改變的阻力。當(dāng)一個(gè)物體受力在環(huán)形路徑上運(yùn)動(dòng)時(shí),它產(chǎn)生一個(gè)背向曲線路徑中心的阻力。這是“離心力”。當(dāng)空氣粒子在曲線路徑 AB 上運(yùn)動(dòng)時(shí),離心力趨向于把粒子向 AB 之間箭頭的方向上拋,這樣就導(dǎo)致空氣在對(duì)機(jī)翼前緣施加正常壓力之外還有別的力。但是當(dāng)空氣粒子通過 B 點(diǎn)(路徑彎曲的反轉(zhuǎn)點(diǎn))之后,離心力趨向于把它們往 BC 之間的箭頭方向上拋(導(dǎo)致機(jī)翼上壓力降低)。這個(gè)效應(yīng)一直維持到空氣粒子到達(dá) C點(diǎn),C 點(diǎn)是第二個(gè)氣流彎曲反轉(zhuǎn)點(diǎn)。離心力再一次反轉(zhuǎn),空氣粒子會(huì)趨向于給機(jī)翼尾部邊緣在正常壓力之外稍微多加一點(diǎn)力,如圖中 CD 之間短箭頭所示。

所以,機(jī)翼上表面的空氣壓力是分布式的,前緣所受的壓力比周圍的大氣壓力大的多,導(dǎo)致了前進(jìn)運(yùn)動(dòng)的強(qiáng)大阻力;但是在上表面的很大一部分(B 點(diǎn)到 C 點(diǎn))空氣壓力小于周圍的大氣壓力。

就像應(yīng)用伯努利原理的文氏管中所看到的,機(jī)翼上表面空氣的加速引起壓力的下降。這個(gè)較低的壓力是總升力的一部分。然而,機(jī)翼上下表面壓力差是總升力的唯一來源的設(shè)想是錯(cuò)誤的。

還必須記住和較低壓力有關(guān)的是下洗力-機(jī)翼頂部表面向下向后的氣流。就像在前面對(duì)空氣動(dòng)態(tài)作用相關(guān)的討論中看到的那樣,氣流沖擊機(jī)翼的下表面,向下向后的氣流的反作用力是向前向上的。機(jī)翼上表面和下表面適用一樣的反作用力,牛頓第三定律再次得到體現(xiàn)。

高壓在下

在討論和升力相關(guān)的牛頓定律章節(jié)里,已經(jīng)討論了機(jī)翼下方的壓力條件特定大小的壓力是如何生成的。機(jī)翼下方的正壓力在迎角較大時(shí)也相應(yīng)增加。但是氣流的另一方面也必須考慮。在靠近前緣的點(diǎn),實(shí)際上氣流是停滯的(停滯點(diǎn)),然后逐漸的增加速度。在靠近尾緣的某些點(diǎn),速度又變到和機(jī)翼上表面的速度相同。遵循伯努利原理,機(jī)翼下方的氣流速度較慢,產(chǎn)生了一個(gè)支撐機(jī)翼的正壓力,當(dāng)流體速度下降時(shí),壓力必定增加?;旧?,由于機(jī)翼上下表面的壓力差的增加,因此機(jī)翼上增加的總升力會(huì)導(dǎo)致下表面壓力沒有增加。無論何時(shí)機(jī)翼產(chǎn)生的升力中伯努利原理和牛頓定律都生效。

液體流動(dòng)或者氣體流動(dòng)是飛機(jī)飛行的基礎(chǔ),也是飛機(jī)速度的產(chǎn)物。由于飛機(jī)的速度影響飛機(jī)的升力和阻力,所以對(duì)飛行員非常重要。飛行員在最小滑翔角,最大續(xù)航力和很多其它飛行機(jī)動(dòng)中使用空速飛行??账偈秋w機(jī)相對(duì)于所飛過的空氣的速度。

壓力分布

從風(fēng)洞模型和實(shí)際大小的飛機(jī)上所作的試驗(yàn)上,已經(jīng)確知在不同迎角的機(jī)翼表面氣流中,表面的不同區(qū)域壓力有負(fù)的(比空氣壓力?。┮灿姓?比空氣壓力大)。上表面的負(fù)壓產(chǎn)生的力比下表面空氣沖擊機(jī)翼產(chǎn)生的正壓得到的力更大。圖 2-8 顯示了三個(gè)不同迎角時(shí)沿機(jī)翼的壓力分布。通常,較大迎角時(shí)壓力中心前移,小迎角時(shí)壓力中心后移。在機(jī)翼結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)中,壓力中心的移動(dòng)是非常重要的,是因?yàn)槠溆绊懘笥呛托∮菚r(shí)作用于機(jī)翼結(jié)構(gòu)上的空氣動(dòng)力負(fù)荷的位置。飛機(jī)的航空動(dòng)力學(xué)平衡和可控制性是由壓力中心的改變來控制的。壓力中心是通過計(jì)算和機(jī)翼迎角在正常的極值范圍內(nèi)變化的風(fēng)洞測試得到的。當(dāng)迎角變化時(shí),壓力分布特性也就不同。

這個(gè)力矢量應(yīng)用的點(diǎn)在術(shù)語上稱為 “壓力中心 CP”。對(duì)于任意給定的迎角,壓力中心在合力矢量和弦線的焦點(diǎn)位置。這個(gè)點(diǎn)用機(jī)翼弦的百分比來表示。對(duì)于一個(gè) 60 英寸弦的 30%位置的壓力中心點(diǎn)即機(jī)翼后緣的 18 英寸位置。設(shè)計(jì)者這樣設(shè)計(jì)機(jī)翼的時(shí)候,壓力中心就在飛機(jī)的重心,飛機(jī)總會(huì)平衡。然而,壓力中心的位置隨機(jī)翼迎角的變化而改變,這樣困難就出現(xiàn)了。

在飛機(jī)的正常飛行姿態(tài)范圍內(nèi),如果迎角增加,壓力中心就向前移動(dòng);反之則后移。因?yàn)橹匦墓潭ㄔ谝稽c(diǎn),很明顯,迎角增加時(shí),升力中心朝重心的前面移動(dòng),產(chǎn)生一個(gè)抬升機(jī)頭的力,或者增加多一點(diǎn)迎角。另一方面,如果迎角減小,升力中心后移,趨向于迎角減小很多。這樣就可以看到,正常的機(jī)翼是內(nèi)在不穩(wěn)定的,這樣就必須增加一個(gè)額外的輔助設(shè)備如水平尾翼來維持飛機(jī)縱向平衡。

所以飛行中的飛機(jī)平衡取決于重心和機(jī)翼壓力中心的相對(duì)位置。經(jīng)驗(yàn)已經(jīng)表明重心在機(jī)翼弦線的 20%附近的飛機(jī)可以獲得平衡和滿意的飛行。錐形的機(jī)翼表明了翼展范圍內(nèi)翼弦的多樣性。指定某弦線其平衡點(diǎn)可以被表示開始變得有必要。這個(gè)弦即知名的平均空氣動(dòng)力弦(MAC),通常定義為假設(shè)的非錐形機(jī)翼的弦,它和被討論的機(jī)翼有相同的壓力中心特性。

飛機(jī)的載荷和重量分布也影響重心的位置而產(chǎn)生額外的力,進(jìn)而影響飛機(jī)的平衡。

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