物体的飞行条件
高一（11）班 杨靖 张智灶 谢占山 杨稳 郑铭春
指导：杨滨老师 洪英兰老师
摘要:飞行指的是物体在空中航行。地球上的物体由于受重力的作用，在不受其它外力的情况下会静止于地表，所以要使物体在空中飞行就必须给物体施加一定的条件。下文，我们就对物体的飞行条件进行讨论。
关键词:力,能量。
正文:
(一)
考虑物体的飞行条件往往从受力的情况与能量的变化开始。
从力的角度说物体要离开地面首先就要克服重力的作用，即物体在与重力作用相反的方向上要受到一个大于或等于重力的一个力或一个力的分力。
从能量变化的角度说物体要离地飞行就必须具有相当能量的增量，即物体必须通过自身或由外界环境对其提供能量。
(二)
就拿飞机来说吧。因为飞机是飞行物的典型代表，所以对飞机飞行的受力情况进行分析有助于我们了解物体的飞行条件。
1. 因为飞机机翼的上表面是拱形的，下表面是平直的，所以当飞机向前飞行时，空气就相对机翼向后运动，由于在相同时间内，空气通过机翼上表面的曲线距离大于通过机翼下表面的直线距离，则空气相对机翼上表面的流速大于相对于下表面的流速。于是在机翼的上下表面的空气产生压强差，机翼的上下表面产生压力差，飞机就在压力差的作用下向上爬升。因此若要使飞机获得较大的升力就必须使飞机具有较大的速度。
所以增大飞行速度是增大飞行升力的一种方法。
2．根据F=PS可知，当压强差一定时，可以通过增大机翼面积的方法来增大升力，那么是不是飞机的机翼越大越好呢？答案当然是否定的。因为如果是的话，为什么不把飞机的机翼做得更大些呢？而不是的话，又因为什么呢？原来是因为如果飞机机翼的面积过大，就会增大飞机的重量，反而会给飞行带来负担，特别是当飞机高速飞行时过大的机翼还会产生过大的阻力，不利于飞行。
所以适当地增大机翼面积也是增大升力的方法。
3．上面已提到机翼的上表面是拱形的，那么其切面必然有一角度，因为增大角度就会增大机翼上表面在单位宽度内的弧线长度，从而增大单位时间内上表面空气相对于下表面空气的流速，所以增大机翼切面角度也是增大升力的方法，但是如果过大增加角度，也会增加机翼的飞行阻力，不利于飞行。
所以适当地增加机翼的切面角度也是增大升力的方法。
以上关于机翼设计的根本目的是增大机翼的升力，由此可见足够大的升力在物体飞行中的重要性。
(三)
接下来我们从能量的观点来讨论物体的飞行条件。
我们知道一个飞行的物体具有重力势能和动能，其机械能为重力势能和动能的总和，即为飞行时能量的增量，由于物体静止在地面时并不具有这些能量，所以飞行时能量的提供者必须是物体自身或是外界环境。
如果是物体自身提供能量，则物体自身必须具备提供能量的能力。例如鸟类依靠自身的化学能飞行。如果物体是靠外界环境提供的能量进行飞行，那么物体就应当具有把外界能量转化为飞行时的机械能的能力，例如飞机把航空煤油的化学能转化为自身的机械能。
然而一个物体若要飞行，那么它要消耗的能量，必将大于其在地面上以相同速度行驶时所消耗的能量。而且这种能量往往又特别大。原因很简单，因为在空中以与地面行驶相同的速度飞行时，物体就比在地面上增加了重力势能。特别是飞机，由于飞机的重力比较大，飞行高度特别高，所以飞机的重力势能就特别大。又由于飞机飞行时的升力完全靠高速飞行时的压力差来提供，所以物体飞行时的速度要特别大，这样一来又使得飞机的动能变得特别大。重力势能和动能都特别大，所以飞机飞行时所需要的能量也特别大。至于宇宙中的飞行器，它所需要的能量就更大了。
(四)
现在我们已经了解了物体的飞行条件，接下来我们要创造使物体飞得更高、更快、更远、更久的条件。
首先，物体能飞得更高、更快、更远、更久，其根本原因都是物体的性能增强了，或是外界环境提供的能量增加了。因为只有这样才能即符合物体的飞行条件，又满足物体飞得更高、更快、更远、更久的需要。
具体地说，物体性能的提高主要是物体对有限的能量的利用率提高了，其中包括物体的内部和外部在能量利用率能力上的提高。就物体内部对能量的利用率能力的提高而言，主要是发动机所做的有用功占所做总功的比重提高了。这就需要简化发动机的工作过程，以减少热能的产生，以及能量转化过程中的消耗。就物体外部对能量的利用率能力的提高而言，主要是在飞行过程中物体因克服外界阻力而消耗的能量减少了，这就需要使物体的外形适于飞行，而不易于产生阻力，所以飞行物往往被做成流线形，以减小阻力。
就外界环境提供物体能量的增加而言，这种外界环境所提供的能量，应该尽可能是一种能量密度更高的能量，因为只有这样相对原先提供的能量而言，在单位时间内才能产生更多的能量，以产生能量的增量，从而提高物体的飞行能力，使物体飞得更高、更快、更远、更久。
其次，人们在做飞机模形的飞行实验时，往往会发现飞机模形的飞行方向和轨迹与原有的要求不相符合，即偏离了理论上的方向和轨迹，其原因又是什么呢？仔细观察会发现这是起飞时模形所受外力作用位置与物体重心位置之间产生偏离造成的。因为如果外力作用位置不在模形的重心位置，那么外力将以模形的重心为转轴对物体产生力矩，使物体发生转动，从而偏离原定的飞行方向和运动轨迹。因此保证物体受外力作用位置的准确性对保证物体的飞行质量有着重要意义。
(五)
以下是我对未来飞行器的一些设想。
1．目前世界上已出现了核潜艇，核舰艇，却还未出现核动力飞行器。科学家表示核动力飞行器之所以还未出现，主要还是技术上的问题，具体说就是核反应堆的质量过大，以及这种飞行器的安全性的问题。我想在不久的将来核动力飞行器一定会出现。
2．由于任何飞行器都有一定的使用年限，根据质量与能量的转化关系，如果在飞行器的使用年限内，把飞行器的一部分质量转换成飞行时所需的能量，这样不仅可以实现飞行物能量的自给，而且这种能量的产生不会对环境造成污染。
3．变翼飞机的出现。变翼飞机可以根据飞行的实际需要增大或缩小飞机机翼的面积。当飞机起降时增大机翼的面积，以增大机翼的升力。当飞机高速飞行时减小机翼的面积，以减小阻力。
4．变形飞机的出现。变形飞机可以根据运载量的不同改变飞机体积的大小，这样即可以满足运输的需要，又可以灵活地发挥飞机的作用，节约能源，降低飞行成本。
5．个人飞行器的出现。大家都从电视里看到过宇航员在太空行走时，借助背后的小推进器可以在太空里自由地飞翔，我想将来一定会有一种个人飞行器，人们借助它可以在空中方便地穿行，就像汽车在道路上奔驰一样。
(六)
下面我们对将来飞行器的发展做一些展望，未来的飞行器将沿着轻便化，多样化，新能源化，多功能高技术化的方向发展。
1．科学家正在研制一种地下飞机，这种飞机将在地面以下的巨大管道内飞行，这种飞机的优点是快速，安全。
2．科学家为了进一步推进外空航天事业的发展将研制一些推力大，低能耗的推进系统，离子推进器等新一代高性能推进系统，也将在不久的将来出现。
3．2004年“阿尔法号”国际空间站将建成，“卡西尼号”土星探测器将进入环绕土星运行的轨道，再二十年左右的时间，到2020年左右，人类将登上火星……
事实表明，飞行是人类科技迅猛发展的产物。人类飞行的前景将无限光明。
参考文献：少年儿童出版社 《十万个为什么》 工程科学分册
江苏少年儿童出版社 《物理乐园》