頭鐵團

展演模組名稱(實驗名稱):別有洞天­─風洞與機翼升力之演示

團隊成員:許躍薾*、陳俊佑**、曾柏翰**、廖亭崴 *

班級:*電機系 一乙、**物理系 一

普通物理授課老師:許祖斌、周忠憲

儀器說明

材料:木板、吸管、Arduino Nano。

特點:讓觀眾清楚知道機翼上下氣流速度差。

展演流程

原理說明

根據流體力學之伯努力原理(Bernoulli's Principle):在一理想流體之流線管中,流體之壓力(p)、流速(v)和位能(ρgy )會遵循伯努力方程

以及連續性方程(Continuity Equation):流線管截面積和流速遵循 Av=constant;以及康達效應(Coandă Effect):流體有離開本來的流動方向,改為隨著凸出的物體表面流動的傾向。通常機翼上下兩側之形狀經過設計,當流線管被迫流經機翼上側的彎曲表面時(參考Figure1、2),根據康達效應,流體將沿機翼表面運動(向心力造成),由連續性方程可之,機翼附近流線管截面積被壓縮導致流速上升,再由伯努力原理,壓力下降,產生由外側指向機翼之壓力下降梯度(同時形成指向曲率中心之向心力,如Figure3);流線管流經機翼下側表面時,則和上側相反,產生由底側指向機翼之壓力上升梯度。故機翼下表面壓力>周圍氣壓>上表面壓力,此壓力差造成之作用力即為機翼之升力來源。

Figure1

Figure2

Figure3

較薄機翼會導致機翼下方之壓力梯度增加,導致機翼下方壓力更大,壓力差增大,使升力變大。若改變機翼與地面夾角(即攻角),如Figure4、5所示,攻角為正(向上)時,升力增加;攻角為負(向下)時,升力減少(甚至反向)。

Figure4

Figure5

生活應用

康達效應是大多數飛機機翼的主要運作原理。當機翼攻角增大時,由於翼型對氣流的阻礙作用致使氣流下洗,使得前緣附近氣流駐點相對於前緣位置下移,從而導致更為明顯的升力效應。而當機翼攻角減小甚至為負值時,翼型彎度的作用將被削弱,即升力減小直至產生負升力(可參考Figure4、5)。