物理研究性学习报告

物理研究性学习报告航模的制作研究人：张镱朦于馥铭蒋浩楠张世风章文睿张祎文模型飞机空气动力第一节速度与加速度速度即物体移动的快慢及方向，我们常用的单位是每秒多少公尺﹝公尺/秒﹞加速度即速度的改变率，我们常用的单位是﹝公尺/秒/秒﹞，如果加速度是负数，则代表减速。第二节牛顿三大运动定律第一定律：除非受到外来的作用力，否则物体的速度(v)会保持不变。没有受力即所有外力合力為零，当飞机在天上保持等速直线飞行时，这时飞机所受的合力為零，与一般人想像不同的是，当飞机降落保持相同下沉率下降，这时升力与重力的合力仍是零，升力并未减少，否则飞机会越掉越快。第二定律：某质量為m的物体的动量(p=mv)变化率是正比於外加力F并且发生在力的方向上。此即著名的F=ma公式，当物体受一个外力后，即在外力的方向產生一个加速度，飞机起飞滑行时引擎推力大於阻力，於是產生向前的加速度，速度越来越快阻力也越来越大，迟早引擎推力会等於阻力，於是加速度為零，速度不再增加，当然飞机此时早已飞在天空了。第三定律：作用力与反作用力是数值相等且方向相反。你踢门一脚，你的脚也会痛，因為门也对你施了一个相同大小的力第三节力的平衡作用於飞机的力要刚好平衡，如果不平衡就是合力不為零，依牛顿第二定律就会產生加速度，為了分析方便我们把力分為X、Y、Z三个轴力的平衡及绕X、Y、Z三个轴弯矩的平衡。轴力不平衡则会在合力的方向產生加速度，飞行中的飞机受的力可分為升力、重力、阻力、推力升力由机翼提供，推力由引擎提供，重力由地心引力產生，阻力由空气產生，我们可以把力分解為两个方向的力，称x及y方向﹝当然还有一个z方向，但对飞机不是很重要，除非是在转弯中﹞，飞机等速直线飞行时x方向阻力与推力大小相同方向相反，故x方向合力為零，飞机速度不变，y方向升力与重力大小相同方向相反，故y方向合力亦為零，飞机不升降，所以会保持等速直线飞行。弯矩不平衡则会產生旋转加速度，在飞机来说，X轴弯矩不平衡飞机会滚转，Y轴弯矩不平衡飞机会偏航、Z轴弯矩不平衡飞机会俯仰第四节伯努利定律伯努利定律是空气动力最重要的公式，简单的说流体的速度越大，静压力越小，速度越小，静压力越大，这裡说的流体一般是指空气或水，在这裡当然是指空气，设法使机翼上部空气流速较快，静压力则较小，机翼下部空气流速较慢，静压力较大，两边互相较力﹝如图1-3﹞，於是机翼就被往上推去，然后飞机就飞起来，以前的理论认為两个相邻的空气质点同时由机翼的前端往后走，一个流经机翼的上缘，另一个流经机翼的下缘，两个质点应在机翼的后端相会合﹝如图1-4﹞，经过仔细的计算后发觉如依上述理论，上缘的流速不够大，机翼应该无法產生那麼大的升力，现在经风洞实验已证实，两个相邻空气的质点流经机翼上缘的质点会比流经机翼的下缘质点先到达后缘当气流通过时机翼的上缘產生”真空”，於是机翼被真空吸上去﹝如图1-6﹞，他的真空还真听话，只把飞机往上吸，為什麼不会把机翼往后吸，把你吸的动都不能动，还有另一个常听到的错误理论有时叫做子弹理论，这理论认為空气的质点如同子弹一般打在机翼下缘，将动量传给机翼，这动量分成一个往上的分量於是產生升力，另一个分量往后於是產生阻力﹝如图1-7﹞，可是克拉克Y翼及内凹翼在攻角零度时也有升力，而照这子弹理论该二种翼型没有攻角时只有上面”挨子弹”，应该產生向下的力才对啊，所以机翼不是风箏当然上缘也没有所谓真空伯努利定律在日常生活上也常常应用，最常见的可能是喷雾杀虫剂了﹝如图1-8﹞，当压缩空气朝A点喷去，A点附近的空气速度增大静压力减小，B点的大气压力就把液体压到出口，刚好被压缩空气喷出成雾状，读者可以在家裡用杯子跟吸管来试验，压缩空气就靠你的肺了，表演时吸管不要成90度，倾斜一点点，以免空气直接吹进管内造成皮托管效应，效果会更好。飞行原理飞机从地面滑跑到离地升空，是由于升力不断增大，直到大于飞机重力的结果。而只有当飞机速度增大到一定时，才可能产生足以支持飞机重力的升力。可见飞机的起飞是一个速度不断增加的加速过程。故起飞一般只分三个阶段，即起滑跑、离地和上升。起飞滑跑的目的是为了增大飞机的速度，直到获得离地速度。拉力或推力愈大，剩余拉力或剩余推力也愈大，飞机增速就愈快。起飞中，为尽快地增速，应把油门推到最大位置。并同时保持滑跑方向。对螺旋桨飞机而言，起飞滑跑中引起飞机偏转的主要原因是螺旋桨的副作用。起飞滑跑中，螺旋桨的反作用力矩力图使飞机向螺旋桨旋转的反方向倾斜，造成两主轮对地面的作用力不等，从而使两主轮的摩擦力不等，两主轮摩擦力之差对重心形成偏转力矩。螺旋桨滑流作用在垂直尾翼上也产主偏转力矩。，螺旋桨的进动作用也会使飞机产生偏转。加减油门和推拉操纵杆的动作愈粗猛，螺旋桨副作用影响愈大。为减轻螺旋桨副作用的影响，加油门和推拉操纵杆的动作应柔和适当。滑跑后段应用舵来保持滑跑方向。随着滑跑速度的不断增大，方向舵的效用不断提高，就应当回舵，以保持滑跑方向。当速度增大到一定时，升力稍大于重力，飞机即可离地。离地时作用于飞机的力。此时升力大于重力，拉力或推力大于阻力飞机刚离地时，不宜用较大的上升角上升。上升角过大，这会影响飞机增速，甚至危及安全。为了减小阻力，便于增速，飞机高地后，一般不低于5米高度改平飞.因为这时飞行高度低，飞机如有坡度，就会向下侧滑而可能使飞机撞地。因此发现飞机有大坡度应及时纠正。当速度增加到规定时，应柔和带杆使飞机转入稳定上升，上升到规定高度。影响起飞滑跑距离的因素有油门位置、离地迎角、襟翼反置、起飞重量、机场标高与气温、跑道表面质量、风向风速、跑道坡度等。这些因素一般都是通过影响离地速度或起飞滑跑的平均加速度来影响起飞滑跑距离的.飞行中之阻力１磨擦阻力：空气分子与飞机磨擦產生的阻力，这是最容易理解的阻力但不很重要，只佔总阻力的一小部分，当然為减少磨擦阻力还是儘量把飞机磨光。２形状阻力：物体前后压力差引起的阻力，平常汽车广告所说的风阻係数就是指形状阻力係数﹝如图3-3﹞，飞机做得越流线形，形状阻力就越小，尖锥状的物体形状阻力不见得最小，反而是有一点钝头的物体阻力小，读者如果有机会看到油轮船头水底下那部分，你会看到一个大头，高级滑翔机大部分也有一个大头，除了提供载人的空间外也是為了减少形状阻力。３诱导阻力：机翼的翼端部因上下压力差，空气会从压力大往压力小的方向移动，部份空气不会规规矩矩往后移动，而从旁边往上翻，因而在两端產生涡流﹝如图3-4﹞，因而產生阻力，这现象在飞行表演时，飞机翼端如有喷烟时可看得非常清楚，你可以注意涡流旋转的方向﹝如图3-5﹞，﹝图3-6﹞是NASA的照片，可看见壮观的涡流，因為这种涡流延伸至水平尾翼时，从水平尾翼的观点气流是从上往下吹，因此会减小水平尾翼的攻角，也就是说水平尾翼的攻角实际会比较小，﹝图3-6﹞只不过是一架小飞机，如像类似747这种大傢伙起飞降落后，小飞机要隔一阵子才能起降，否则飞入这种涡流，后果不堪设想，这种阻力是因為涡流產生，所以也称涡流阻力。４寄生阻力：所有控制面的缝隙﹝如主翼后缘与副翼间﹞、主翼及尾翼与机身接合处、机身开孔处、机轮及轮架、拉桿等除本身的原有的阻力以外，另外衍生出来的阻力一架飞机的总阻力就是以上四种阻力的总合，但飞机的阻力互相影响的，以上的分类只是让讨论方便而已，另外诱导阻力不只出现在翼端，其他舵面都会產生，只是翼端比较严重，磨擦阻力、形状阻力、寄生阻力与速度的平方成正比，速度越快阻力越大，诱导阻力则与速度的平方成反比﹝如图3-9﹞，所以要减少阻力的话，无动力飞机重点在减少诱导阻力，高速飞机重点在减少形状阻力与寄生阻力。制作工具模型剪刃口由高强度金属制成且成斜口(也称斜口钳)，是将模型零件从板子上取下的工具，由于是斜口的，所以不会损坏零件。笔刀将零件剪下后，要将零件上多余的流道削去，就要用到笔刀，建议购买田岛的28元/把(8片刀片)在这里要提醒初学者由于笔刀很锋利，使用笔刀时刀口不要朝向自己，以免造成伤害。锉刀笔刀组零件取下之后，还要进行打磨的工作，这时你就需要它。锉刀可以分为钻石粉锉刀(表面上附有廉价的钻石粉)以及螺纹锉刀，前者很适合打磨塑料;后者可以打磨蚀刻片。建议购买有各种形状的套装，一般价格不贵在20~50元左右。锉刀的清理可以用废旧的牙刷刷几下既可。砂纸在经过锉刀的粗打磨后，就要使用砂纸进行细加工，砂纸分为各种号数，号数越大就越细，建议购买800，1000。1200号水砂纸(在五金店均有售，价格在0。6元/张左右)胶水零件打磨完毕以后，就要使用专门的模型胶水进行粘接，在这里笔者强烈建议购买田宫的溜缝胶水(25元/瓶)它流动性相当好，而且粘接强度适中，最重要的是它具有“渗”的作用，这样就避免了由于胶水涂太多而溢出损坏零件。其他胶水还有模王的瓶装(小瓶10元/瓶大瓶25元/瓶)威龙胶水(8元/瓶现以不多见)等。镊子模型制作中经常要碰到细小零件，这时你就需要一把好用的镊子，建议购买弯头尖嘴，而且后面有锁扣的那种。补土一些模型由于开模的原因，在组合后会产生缝隙，这时就需要使用补土来填补。补土有很多种类:水补土，牙膏状补土，AB补土，保丽补土，红补土等，就功能上可以分为填补类:牙膏状补土塑型类:AB补土，保丽补土，红补土表面处理类:水补土。这里只介绍属填补类的牙膏状补土:一般市面上常见的是田宫和郡仕的产品，价格均为25元/支，笔者个人认为田宫的补土较为细腻，容易上手，但有干后收缩大的缺点，但还是建议初学者使用;郡仕补土为胶状，干后硬度大，且收缩小，但较难上手，不太适合初学者。实物展览