沙塵暴與飛機能飛的共同點

王智超

摘 要：對于沙塵暴以及飛機能飛，我們可以從微觀上去對兩者進行分析，通過分析能夠發現沙塵暴與飛機能飛存在著一定的共同點。文中，主要就對沙塵暴與飛機能飛的共同點進行了分析。

關鍵詞：沙塵暴;飛機能飛;壓力;壓強

中圖分類號：V328 文獻標識碼：A 文章編號：1671-2064（2020）06-0237-02

伯努利原理指出：流體的壓力會隨著速度的增加而減少，反之亦然，宏觀是這樣的。從微觀上看，要怎么解釋壓強變化和速度的關系吶。就拿大氣來說，大氣壓強的定義是指大氣對浸在它里面的物體產生的壓強。大氣壓強用分子運動的觀點解釋因為氣體是由大量的做無規則運動的分子組成，而這些分子必然要對浸在空氣中的物體不斷地發生碰撞.每次碰撞，氣體分子都要給予物體表面一個沖擊力，大量空氣分子持續碰撞的結果就體現為大氣對物體表面的壓力，從而形成大氣壓。若單位體積中含有的分子數越多，則相同時間內空氣分子對物體表面單位面積上碰撞的次數越多，因而產生的壓強也就越大。

1分子運動輪解釋大氣壓下高上低

利用分子運動論的觀點可以解釋：為什么大氣層不均勻分布，能造成大氣壓下高上低的現象。

這里分子運動論對壓強的解釋其實有一個特定的前提條件：空間內的空氣分子都在做無規則運動，而且沒有任何趨勢。在宏觀看就是一定空間內處于無風狀態，所測得大氣壓的值。

那在有風的情況下所測得壓強的數值為什么會變小吶，分子運動論要怎么解釋這個現象吶。因為分子都在做無規則運動，太過于復雜，所以要簡化分子運動模型才會更加直觀的解釋壓強和速度的關系。空間內的分子可以看做是無數層分子的疊加，就像一摞書，我們現在只要其中的一頁，這就相當于三維空間的現象我們簡化成二維來解釋，但依然要符合三維的情況。在二維的世界里，分子依然做無規則的運動，同時分子間的運動是一種動平衡的狀態，所以還需要繼續簡化，在無數種的可能性中我們只看其中的一種動平衡，最后簡化的模型如圖1所示。

最后的模型在宏觀里還是表現為無風的狀態（如圖1），現在假設部分分子隨風而動（如圖2），向上箭頭就是風的方向，而這兩排分子受到這個方向的推力，根據力的合成和分解都遵從平行四邊形法則，那么單個分子力的方向發生改變（如圖3），但是F1，F2合力的方向遵從平行四邊形法則，而力的大小沒有改變（猜想：分子力特性，符合牛頓第一定律），即F2=F合。而合力的分力嚴格遵從平行四邊形法則，由此會得到分力，可以看出由于風力的加入，合力的水平分力比F2的力要小，此時測量壓力就會顯示數值變小，風力越大，R1越小，合力的水平分力也會越小。在宏觀上就表現為伯努利原理：流體的壓力會隨著速度的增加而減小，反之亦然[1]。

當合力的水平分力減小后，與之相鄰分子的水平力沒有改變，原先的平衡被打破后，則圖2左側的分子會向右側移動，宏觀所看到的就是高壓流體會向低壓移動。

2對沙塵暴是怎么刮起來的解釋

明白最根本原理，就能解釋生活中的很多問題。回到題目沙塵暴是怎么刮起來的，沙子雖然顆粒比較小，但它是固體能漂浮在空中也不容易，所以沙塵暴的前提條件就是要風大，風吹動沙子在沙漠里流動，遇到沙丘一樣的上坡時，由于速度很快，沙子就會脫離地面飄在空中，這是第一步，大氣的另外一個特點就是海拔越高風越大，風越大底部的氣體就會向上移動，包括沙子在內被一起帶到高空。有一點要說明的，風力夠大才能形成足夠的壓力差，這個壓力差一定大于沙子的重力才會被帶到高空，到最后就形成了漫天黃沙，這是主因，但其他原因也會造成沙塵攪動，比如亂流，這里就不做深入研究了，只是簡單說明一下。科學防沙：防風固沙，這點就是對第一步的干預，植樹造林就是減少沙子流動，樹木也能減小靠近地面的風速，從而有效減少沙塵暴的出現。

3對飛機起飛的解釋

同樣想在微觀解釋飛機能飛的根本原因，首先要明白空氣在經過機翼過程中，各種力的變化。這個要比沙塵暴原理復雜得多，飛機的機翼上方有一種特殊的凸起，專業術語成為翼型，因為這種彎曲的存在，與流經機翼平坦下表面的空氣相比，流經彎曲上邊面的空氣速度更快。還有類對稱翼形的飛機（起頂部和底部的曲率相當），水平狀態流經空氣時，上下機翼幾乎沒有速度差的存在。很明顯要想解釋速度差的存在，與機翼橫截面形狀密不可分。大氣的分子永遠在做無規則運動，所以還需要簡化模型來加以解釋，因為是機翼和空氣的相對運動而產生的速度，所以模型可以看成是空氣分子不動（指：單個分子在活動范圍內處于動態平衡），只有飛機在動，其實在宏觀世界里就是飛機在沒有風的情況下起飛[2]。簡化的模型也就符合事實，放大在二維世界中的空氣分子依然有無數種動態平衡，現在把空氣分子簡化為只有上下左右的動態平衡，機翼在靜止時受到個方向的力相同，所以各方的力都是動態平衡的。飛機開始向前滑行時最前端的分子受到機翼擠壓，上端分子被迫沿著機翼開始向上移動，從前端到最高點一直在擠壓，力是相互的，所以上端分子也對機翼產生向下的壓力，這就使得垂直的分子密度加大，宏觀表現為壓強變大，分子到達最高點后，依然受到上面分子的擠壓，最下面的分子會繼續沿著機翼表面向下移動直到機翼末端，這個過程中分子上下移動的速度沒有變，但由于高低落差加大，導致與機翼的撞擊頻率減少，從而這段位置機翼所受的壓強變小。機翼下端分子因為機翼底面是平的，所以從剛開始到末端，分子沒有發生位移，到最后和上面分子重新匯合（如圖4）。

這個過程空氣分子在水平方向一直處于平衡狀態，所以這個過程可以比喻為兩個輪子挨著，兩個輪子上都安裝有彈簧（彈簧就是垂直疊加的分子），彈簧是固定的，輪子只是上下移動，機翼將從兩個輪子中間穿過，這個過程中輪子受力的變化，近似空氣分子的變化。整過過程從開始到最后有一個比較有意思的現象，就是上下分子走的距離不一樣，但是所花時間卻是一樣的，根據速度公式v=s/t，S1>S2，T1=T2所以V1>V2，這個結果就和實驗所得的結果一致，機翼表面的速度差就是這樣形成的。但是上端分子在運動到最高點之前，是有向下的壓力，這部分壓力會抵消掉一部分升力，上機翼總的壓力減小值應該是后段的壓力減小變化值減去前段壓力增加變化值所求的值，所以就算在同樣的S1.S2條件下，最高點位置不同，升力也會不一樣，在同樣的速度和方向下，升力為1>2>3（如圖5：理論應該1為升力，2的升力為0，3的升力為負數）。

上表面凸起翼型類飛機的升力原理就是這樣的，雖然有速度差變化，但速度差只是翼型類飛機的特點和現象，不是升力的本質。還有一類對稱翼型飛機，或是上表面和下表面均為平坦翼型飛機，必須借助一定角度來提供升力，宏觀適用于牛頓的作用力和反作用力原理。微觀世界機翼下表面其實就是上面講的分子從開始到到最高點的過程，產生的高壓區。機翼上表面壓力變化類似于后半段分子從最高點到最低點的過程，落差導致壓力減小。機翼下方的空氣分子密度加大，機翼上方的空氣密度變小，形成壓力差，使得下方對機翼的壓力大于上方對機翼的壓力，從而產生升力，使飛機也能飛起來。但兩類機翼還是各有特點，在相同橫截面積的前提下，可以看得出這類飛機升力的效率更高，但在控制方面還是翼型類飛機更加穩一些，精度更高些。

明白飛機升力的原理后，想讓上凸翼型飛機提高升力，就是增加速度差（增加動力。在一定范圍增加上表面與下表面的長度差，）減小前端到最高點產生的向下壓力，增加下表面面積（面積增加，所受分子力就更大）。對于對稱類飛機要想增加升力，在一定范圍內增加仰角，增加動力，提高速度，增加底面面積[3]。

只要符合升力原理，在怪異的飛機也能飛上天飛機在現實中遇到的情況，比理論復雜多了，受到其他力的干擾也很大，當然也就比沙塵暴復雜得多。最后想說，微觀世界的現象很多就是宏觀現象的本質。

參考文獻

[1] 景江紅，盧啟勇，陳杰.伯努利原理在生活中的應用[J].科學技術創新，2020（3）：27-28.

[2] 熊珮.淺談側風對飛機起飛著陸的影響及修正原理[J].中國新技術新產品，2019（21）：36-37.

[3] 婁東杰.飛機起飛重量錯誤風險分析及控制[D].天津：中國民航大學，2016.