一種直觀高效的固定翼機(jī)翼升力演示儀

魏亞軍

項目背景

“飛機(jī)為什么能起飛？”是很多學(xué)生喜歡問的一個問題。同時，航空知識也是很多中小學(xué)科技教育的一個方向。在理論講解飛機(jī)升力的原因（上下表面的壓強(qiáng)差）的基礎(chǔ)上，如果能有一個簡單直觀的演示儀器，讓學(xué)生能“看”到這個升力，將會對教學(xué)效果有非常大的幫助。由此，引出我研制該裝置的想法。

演示儀結(jié)構(gòu)

圖1-圖3展示了這種演示儀的結(jié)構(gòu)和原理。

固定翼機(jī)翼升力演示儀的結(jié)構(gòu)如圖1 和圖2所示，圖3是飛機(jī)機(jī)翼一定寬度的縱剖截面模型。機(jī)翼截面模型內(nèi)部埋有14根引出的透明連接管，分別標(biāo)注為1、2A、3A、4A、5A、6A、7A、2B、3B、4B、5B、6B、7B、8。空氣通道是由2塊有機(jī)板中間留有一定距離形成的空腔雙隔板提供的。空心圓轉(zhuǎn)管是兩端伸出雙隔板空腔外的透明圓管，其中段與機(jī)翼截面模型固定。在隔板外面轉(zhuǎn)動圓管伸出部分時，可以使隔板內(nèi)的機(jī)翼截面模型轉(zhuǎn)動一定角度。機(jī)翼截面模型上部槽管和下部槽管是在機(jī)翼截面模型一面上刻出的通氣溝槽。連接管是把槽管和連通器連接起來的塑料管道。在整個機(jī)翼截面模型里，共有14根槽管出口，在每一根槽管的出口處黏結(jié)1根連接管，并全部先按序裝插在空心圓轉(zhuǎn)管中，然后從雙隔板背面穿出（如圖2），與連通器相連。

演示飛機(jī)升力

裝置工作時，當(dāng)用吸塵器從演示儀雙隔板一邊的空氣通道吸出氣流時，另一邊外部的空氣會進(jìn)入雙隔板空腔，形成一定速度的穩(wěn)定氣流。當(dāng)氣流從雙隔板中穿過機(jī)翼截面模型周邊變窄的空間時，會因氣流經(jīng)過隔板空腔內(nèi)的寬度變窄，使流經(jīng)機(jī)翼截面模型上、下表面氣流的速度發(fā)生變化。根據(jù)伯努利原理，機(jī)翼截面模型表面上下也會因氣流速度變化而引起壓強(qiáng)差。這個壓強(qiáng)差，可通過與連通器相連的紅色液柱的高度差顯示出來（如圖1）。

探究升力大小

該演示儀可以對升力進(jìn)行定量計算，引導(dǎo)學(xué)生探究不同條件下（如通過空心圓轉(zhuǎn)管改變角度時）機(jī)翼升力的變化。

探究不同條件下的升力大小

通過改變吸塵器的功率，可以改變通過整個機(jī)翼截面模型的氣流速度，從而可以觀察在不同的氣流速度下（對應(yīng)飛機(jī)飛行的速度）的升力大小。再比如，通過轉(zhuǎn)動空心圓轉(zhuǎn)管調(diào)整機(jī)翼截面模型的角度時，可觀察到隨翼角變化時氣流壓強(qiáng)隨速度變化的情景（如圖4）。

定量計算升力大小

描繪表征機(jī)翼升力的曲線圖在隔板下面和盛液槽上面的豎直連通管前豎放1塊透明板。先在板面各根連通管紅色液柱上升的最高點用筆標(biāo)記，然后在板面上用平滑曲線將各標(biāo)記點連成1 幅封閉曲線圖（如圖5a）。

利用曲線圖統(tǒng)計和計算機(jī)翼的升力 把透明計數(shù)板放在之前繪制的曲線圖上，可通過統(tǒng)計封閉曲線圖內(nèi)的格子數(shù)，計算封閉圖面積。討論：當(dāng)機(jī)翼上下表面的寬度為一定值時，產(chǎn)生的升力與描出的封閉曲線的面積成正比。

計算機(jī)翼升力的準(zhǔn)確數(shù)據(jù) 可通過曲線上各典型實驗點的坐標(biāo)，用MATLAB程序擬合得到用于描述這些點的平滑曲線（如圖5a）及其函數(shù)表達(dá)式，再通過以下2種方法精確得出這個封閉圖形的面積。

方法1：通過用計算機(jī)程序求積分的辦法算出這個面積，從更深層面探究飛機(jī)機(jī)翼升力產(chǎn)生的奧秘。這個方法需要學(xué)生理解微積分或者微分法的思想，以及非常基本的編程基礎(chǔ)。

方法2：利用數(shù)字圖像技術(shù)，通過使用諸如Photoshop或者GIMP（開源免費軟件）之類的圖像處理軟件得到封閉曲線圖的像素與矩形像素之比（如圖5b），然后再利用公式準(zhǔn)確算得封閉曲線圖形的面積。這種方法原理科學(xué)，簡單易理解，可以激發(fā)學(xué)生利用現(xiàn)代科技解決問題的思維。

創(chuàng)新點

裝置具有直觀性、穩(wěn)定性和高效性。獨特巧妙的儀器設(shè)計，可以使機(jī)翼升力通過簡單的連通器原理得到直觀有效的展示。目前已有的機(jī)翼升力演示裝置給一個氣流后機(jī)翼就向上飄起來，每次演示要重新制造氣流，這對于如科技館等場合使用起來就不太方便。本裝置能夠讓觀察者通過連通器液面高度差觀察到壓強(qiáng)差，不需要不停地操作，大大增加了展示的方便性和穩(wěn)定性，非常適合在科技館、展覽館使用。

裝置可以定量計算升力的大小，探究在不同條件下的升力。

裝置可以啟發(fā)學(xué)生的思維，培養(yǎng)學(xué)生的動手能力和分析能力。利用該裝置進(jìn)行定量探究時，學(xué)生能體驗利用數(shù)學(xué)和信息技術(shù)工具解決科學(xué)問題的樂趣，可以作為典型的學(xué)科融合的STEM科技教育范例。

專家評語

該項目制作了適合中小學(xué)教學(xué)的固定翼機(jī)翼動態(tài)升力演示儀，將空氣沿機(jī)翼橫截面流動所產(chǎn)生的上下壓力差通過液面差可視化，能夠有效幫助學(xué)生客觀地學(xué)習(xí)和理解固定翼機(jī)翼升力產(chǎn)生的相關(guān)知識。項目選題新穎，具有實質(zhì)性創(chuàng)新，作品效果顯著，制作規(guī)范，具有示范推廣價值。