氣流的神奇力量

李贊

空氣在流動過程中可以產生力的作用，出現很多有趣的現象。各種利用氣流的設計，也是工程技術領域的重要成果。《義務教育小學科學課程標準》中要求學生理解“有的力可以通過看不見的物質施加在物體上”，認識到“工程是運用科學和技術進行設計，解決實際問題和制造產品的活動”，空氣無色無形，發生作用的過程比較抽象，無法直觀認識，而中國科技館的幾件展品給學生們提供了形象化的體驗機會，可以更方便地了解氣流產生的力的作用，以及飛機和風力發電這兩種利用氣流的技術應用范例。

空氣炮

《西游記》中有一段鐵扇公主的故事，神通廣大的孫悟空第一次去借芭蕉扇時，被寶扇的風一下子吹出5萬多里外，這可能是關于氣流力量的最夸張的描述了。這種扇風形成的力，是空氣傳遞力量的最直接形式，我們夏天使用的電風扇就是這樣工作的。但有時候空氣并沒有真正運動到遠處，而只是通過振動將能量傳遞過去。

中國科技館“科學樂園”展廳中有件叫“空氣炮”的展品，它看上去像是一個豎直放置、底面有個大洞的鼓，當觀眾用力拍打鼓面后，能看到前方5米外的貓頭鷹模型身上的亮片開始晃動，從而體驗到振動在空氣中的傳播。這是因為拍打鼓面時候，鼓皮變形使內部的空氣被壓縮和復原，產生往復振動，這種振動從洞口一直向前傳遞，使前方的空氣形成疏密交替的壓力波，到達目標處的鋁箔條，將壓力傳給鋁箔條，驅動鋁箔條發生抖動。這種壓力波在空氣中傳播的過程和聲波類似，屬于縱波，即波的前進方向與質點的振動方向在一條直線上。

中國科技館的精彩科普劇《皮皮的火星夢》中還設計了一個大型空氣炮，可以發射出水霧組成的環狀煙圈，每次演出時效果特別震撼，給現場觀眾留下了深刻印象。

機翼升力

很多同學都會好奇為什么飛機能飛上天，它的升力從何而來。解答這個奧秘的關鍵在于飛機的翅膀——機翼，飛機的升力絕大部分由機翼產生。

現代飛機的機翼形狀并不是上下對稱的，而是向上凸起的不對稱流線造型。飛機前進過程中和空氣發生相對運動，氣流到達機翼前緣后，分成上、下兩股氣流，分別沿機翼凸起的上表面、平整的下表面流過，然后在機翼后緣重新匯合向后流去。機翼的氣流從上面流過的路徑較長，流速加快；而從機翼下表面流過的路徑較短，氣流流速相對較慢。根據伯努利原理（流體的流速越大，壓強越小；流速越小，壓強越大），機翼上方高速的空氣壓強要比下方低速的空氣壓強低，于是機翼上、下表面出現了壓力差，垂直于相對氣流方向的壓力差的總和就是機翼的升力。這樣重于空氣的飛機就能借助機翼獲得的升力，克服自身因地球吸引形成的重力，從而翱翔在藍天上了。

機翼的主要作用是產生升力，以支持飛機在空中飛行，同時也起到一定的穩定和操作作用。在機翼上一般安裝有副翼和襟翼，操縱副翼可使飛機滾轉，放下襟翼可使升力增大。機翼上還可安裝發動機、起落架和油箱等。不同用途的飛機其機翼形狀、大小也各有不同。

中國科技館3層“交通之便”展區的展品“機翼升力”就展示了機翼獲得升力的原理。在長方形展柜內放置了2個同樣材質和大小的機翼模型，其中一片是標準機翼局部的模型，另一個則是一個規則的長方體扁翼模型。兩個模型上都裝有連桿，可以使模型在靜態和運動時均保持水平姿態。觀眾按下按鈕啟動裝置，展柜一端的風扇朝帶有機翼模型和扁翼模型的小型風力通道送風。隨著風速增大，機翼模型會在氣流帶來的升力作用下慢慢抬起，漂浮在空中；而扁翼由于不符合空氣動力學，所以不會產生升力，只能保持在底部原位置。觀眾還可以通過調節風扇轉速改變風力大小，在通道旁的儀表上觀察機翼的升力數值。通過體驗和思考，加深對機翼升力原理和氣流作用效果的了解。

風車森林

我們旅行時經常遇到壯觀的風力電站，感受廣袤曠野中的現代景觀，它們在發電過程中沒有任何排放和污染，是真正的清潔能源。當前世界最大的風力機組輪轂高105米，每支葉片足有80米長，相當于一架波音747客機的長度。風力發電機的葉片也采用了類似飛機機翼的流線造型，可以說飛機機翼設計理論為現代風電產業作出了巨大貢獻。

風力發電機主要由塔架、機艙、葉片、定子和轉子等主要部件及系列控制裝置組成。當風以一定的角度吹向葉片時，從葉片背面流過的氣流速度較快，而從腹面流過的氣流速度較慢，根據伯努利原理，葉片腹背的氣流產生壓力差，形成指向葉片背面的“升力”使葉輪旋轉，因此被稱為“升力型葉片”。這個過程中將風的動能轉變為輪軸轉動的機械能，再通過發電機中的電磁感應將機械能轉化成電能，經過優化設計，風能轉化成電能的效率已可達到40%以上。

為適應變化的風向，風力發電機的機艙可以在塔架頂端旋轉，使風機始終朝向風吹來的方向；同時每片葉片也可以旋轉，根據風力大小和發電需求，以不同角度迎向氣流并調節轉速，保證發電效率，在不需要發電時還可以將葉片調至特定角度進入保護狀態，不管風多大都不會旋轉。

為什么通常看到的風力發電機都是3支葉片呢？這是因為經過測試，單支、2支葉片在同樣風速下，轉速會比3支葉片快很多，因此噪音和振動也很大，會帶來很多工程問題；如果從3支葉片增加到4支、5支，理論上能利用更多風能，但由于阻力增加等原因，實際的能量轉化率會降低，相對大幅提高的成本來說是不劃算的。

我國的風力資源極為豐富，絕大多數地區的平均風速都在每秒3米以上，特別是東北、西北、西南高原和沿海島嶼，平均風速更大，有的地方全年三分之一以上的時間都是大風天氣，這些地區發展風力發電是很有前途的。近年也興起了海上風電建設，既不占用寶貴的陸地面積，還能利用海面風力穩定、地形平坦無遮擋、大型零件運輸方便的優勢。

中國科技館4層有件“風車森林”展品，設置了1臺可轉動風機，觀眾可以啟動風機，雙手握住握把調整風力大小和方向，吹動前方安裝的不同尺寸、不同類型的風力發電設備模型，驅動葉片旋轉，發電后點亮LED燈，直觀認識風能這種取之不盡、用之不竭的清潔能源，了解風力發電設備的主要結構和工作原理。