谈气压对无人机操控的影响

范东辰

2017年7月，第十五届全国中小学信息技术创新与实践活动在美丽的海滨城市青岛举行，我参加了学生赛项的无人机应用技能挑战赛高中组的比赛，最终获得了无人机挑战赛的全国一等奖。总结获奖的原因，主要是在大家水平相等的情况下，我注意到了气压对无人机操控的影响。

在不同的季节、不同的气候条件和地理位置等条件下，大气压值是不同的。

地势变化

从微观角度看，决定气体压强大小的因素主要有两点：一是气体的密度n;二是气体的热力学温度T。在地球表面随地势的升高，地球对大气层气体分子的引力逐渐减小，空气分子的密度也随之减小，同时大气的温度也降低。因此，在地球表面，随地势高度的增加，大气压的数值是逐渐减小的。如果把大气层的空气看成理想气体，我们可以推得近似反映大气压随高度而变化的公式：

μ=P0gh/RT

（μ为空气的平均摩尔质量，P0为地球表面处的大气压值，g为地球表面处的重力加速度，R为普适气体恒量，T为大气热力学温度，h为气柱高度）

由上式可以看出，在不考虑大气温度变化这一次要因素的影响时，大气压值随地理高度h的增加按指数规律减小。在2千米以内，大气压值可近似认为随地理高度的增加而线性减小;在2千米以外，大气压值随地理高度的增加而减小渐缓。所以，初中物理教材中有介绍，在海拔2千米以内，可以近似地认为每升高12米，大气压降低1毫米汞柱。

包头市区的海拔高度是1067米，我国测量海拔以黄海海滨城市青岛平均海面作为零点，所以青岛的海拔高度是0米。因此，高度引起气压变化这一规律告诉我：青岛的气压比包头大。

纬度变化

地球表面大气层的成份中，变化较大的就是水汽。人们把含水汽比较多的空气叫“湿空气”，把含水汽较少的空气叫“干空气”。有些人直觉地认为湿空气比干空气重，这是不正确的。干空气的平均分子量为28.966，而水汽的分子量只有18.106，所以含有较多水汽的湿空气的密度要比干空气小，即在相同的物理条件下，干空气的压强比湿空气的压强大。在地球表面，由赤道到两极，随地理纬度的增加，一方面由于地球的自转和极地半径的减小，地球对大气的吸引力逐渐增大，空气密度增大;另一方面由于两极地区温度较低，所以空气中的水汽较少，可近似看成干空气，所以由赤道向两极，随地理纬度增加，大气压总的变化规律是逐渐增大（因气候等因素影响，局部某处的大气压值变化可能不遵循这一规律）。包头的纬度是北纬40.657度，青岛的纬度是北纬36.04度，因而，这一因素对气压的影响不大。

日变化

对于同一地区，在一天之内的不同时间，地面的大气压值也会有所不同，这叫大气压的日变化。一天中，地球表面的大气压有一个最高值和一个最低值。最高值出现在9～10时，最低值出现在15～16时。

导致大气压日变化的原因主要有三点：一是大气的运动;二是大气温度的变化;三是大气湿度的变化。日出后，地面开始积累热量，同时地面将部分热量输送给大气，大气也不断地积累热量，其温度升高湿度增大。当温度升高后，大气逐渐向高空做上升辐散运动，在15～16时，大气上升辐散运动的速度达最大值，同时大气的湿度也达较大值，受此二因素的影响，一天中此时的大气压是最低的。16时以后，大气温度逐渐降低，其湿度减小，向上的辐散运动减弱，大气压值开始升高;进入夜晚，大气变冷开始向地面辐合下降，在上午9～10时，大气辐合下降压缩到最大程度，空气密度最大，此时的大气压是一天中的最高值。

我们高中组的比赛是下午，这样就避开了一天中大气压最高值。我抽签是倒数第二名出场比赛，预计时间将在下午5点以后，也就是说大气压值开始回升。

年变化

同一地区，在一年之中的不同时间其大气压的值也有所不同，这叫大气压的年变化。大气处于地球周围一个开放的没有具体疆界的空间之内，这就使得它与密闭容器中的气体有着很多区别。夏天，大陆中的气温比海洋上高，大气的湿度也比较大（相对冬天而言），这样大陆上的空气不断向海洋扩散，导致其压强减小。到了冬天，大陆上气温比海洋上低，大陆上的空气湿度也较夏天小，这样海洋上的空气就向大陆上扩散，使大陆上的气压升高。这就是大陆上冬天的大气压比夏天高的原因（大气温度也是影响大气压的一个因素，但在这里决定大气压变化的因素不是气温，而是大气的流动及大气的密度）。包头市的气候为半干旱半湿润的温带大陆性气候。青岛地处北温带季风区域，属温带季风气候，市区由于海洋环境的直接调节，受来自洋面上的东南季风及海流、水团的影响，故又具有明显的海洋性气候特点。比赛是在7月夏季，因此地处海边的青岛比内陆的包头气压要大。

因此，在比赛的前一天，我去青岛模拟场地亲自感受了大气压对飞机灵敏度的影响。刚启动飞机时并无异样，在攀升和稳定高度时，我清晰地感受到了气压的影响。在包头练习时微小的推杆动作对无人机的影响是不大的，但在青岛不经意地推杆都会使飞机变得极为不稳定，在进行平面内的移动时也经常会碰到障碍物。紧张的适应练习结束，理论知识及时转化为对实践的指导，使我心里对比赛充满信心。

參考文献：

[1]王世刚，王学良.基于工程创新能力培养的计算机网络课程教学改革与实践[J].课程教育研究：学法教法研究，2015（2）：12-14.

[2]王竹立.新建构主义：网络时代的学习理论[J].远程教育杂志，2011（2）：11-18.

[3]赵师红.中国远程教育理论创新之归因——以王竹立“新建构主义”为个案[J].现代教育技术，2014（3）：5-11.

[4]教育部学校规划建设发展中心.：面向职场，谁动了你的课程体系？[Z]·“教育之弦”官方微信，2017-7-17.

[5]2014年中国软件开发者调查报告[EB/OL].[2014-7].http：//www.csdn.net/.

支持项目：2016年国家级大学生创新创业训练项目，项目号201610876013;2016年度浙江省教育技术研究规划课题，项目号JB045。