沙尘暴与飞机能飞的共同点

王智超

摘 要：对于沙尘暴以及飞机能飞，我们可以从微观上去对两者进行分析，通过分析能够发现沙尘暴与飞机能飞存在着一定的共同点。文中，主要就对沙尘暴与飞机能飞的共同点进行了分析。

关键词：沙尘暴;飞机能飞;压力;压强

中图分类号：V328 文献标识码：A 文章编号：1671-2064（2020）06-0237-02

伯努利原理指出：流体的压力会随着速度的增加而减少，反之亦然，宏观是这样的。从微观上看，要怎么解释压强变化和速度的关系呐。就拿大气来说，大气压强的定义是指大气对浸在它里面的物体产生的压强。大气压强用分子运动的观点解释因为气体是由大量的做无规则运动的分子组成，而这些分子必然要对浸在空气中的物体不断地发生碰撞.每次碰撞，气体分子都要给予物体表面一个冲击力，大量空气分子持续碰撞的结果就体现为大气对物体表面的压力，从而形成大气压。若单位体积中含有的分子数越多，则相同时间内空气分子对物体表面单位面积上碰撞的次数越多，因而产生的压强也就越大。

1分子运动轮解释大气压下高上低

利用分子运动论的观点可以解释：为什么大气层不均匀分布，能造成大气压下高上低的现象。

这里分子运动论对压强的解释其实有一个特定的前提条件：空间内的空气分子都在做无规则运动，而且没有任何趋势。在宏观看就是一定空间内处于无风状态，所测得大气压的值。

那在有风的情况下所测得压强的数值为什么会变小呐，分子运动论要怎么解释这个现象呐。因为分子都在做无规则运动，太过于复杂，所以要简化分子运动模型才会更加直观的解释压强和速度的关系。空间内的分子可以看做是无数层分子的叠加，就像一摞书，我们现在只要其中的一页，这就相当于三维空间的现象我们简化成二维来解释，但依然要符合三维的情况。在二维的世界里，分子依然做无规则的运动，同时分子间的运动是一种动平衡的状态，所以还需要继续简化，在无数种的可能性中我们只看其中的一种动平衡，最后简化的模型如图1所示。

最后的模型在宏观里还是表现为无风的状态（如图1），现在假设部分分子随风而动（如图2），向上箭头就是风的方向，而这两排分子受到这个方向的推力，根据力的合成和分解都遵从平行四边形法则，那么单个分子力的方向发生改变（如图3），但是F1，F2合力的方向遵从平行四边形法则，而力的大小没有改变（猜想：分子力特性，符合牛顿第一定律），即F2=F合。而合力的分力严格遵从平行四边形法则，由此会得到分力，可以看出由于风力的加入，合力的水平分力比F2的力要小，此时测量压力就会显示数值变小，风力越大，R1越小，合力的水平分力也会越小。在宏观上就表现为伯努利原理：流体的压力会随着速度的增加而减小，反之亦然[1]。

当合力的水平分力减小后，与之相邻分子的水平力没有改变，原先的平衡被打破后，则图2左侧的分子会向右侧移动，宏观所看到的就是高压流体会向低压移动。

2对沙尘暴是怎么刮起来的解释

明白最根本原理，就能解释生活中的很多问题。回到题目沙尘暴是怎么刮起来的，沙子虽然颗粒比较小，但它是固体能漂浮在空中也不容易，所以沙尘暴的前提条件就是要风大，风吹动沙子在沙漠里流动，遇到沙丘一样的上坡时，由于速度很快，沙子就会脱离地面飘在空中，这是第一步，大气的另外一个特点就是海拔越高风越大，风越大底部的气体就会向上移动，包括沙子在内被一起带到高空。有一点要说明的，风力够大才能形成足够的压力差，这个压力差一定大于沙子的重力才会被带到高空，到最后就形成了漫天黄沙，这是主因，但其他原因也会造成沙尘搅动，比如乱流，这里就不做深入研究了，只是简单说明一下。科学防沙：防风固沙，这点就是对第一步的干预，植树造林就是减少沙子流动，树木也能减小靠近地面的风速，从而有效减少沙尘暴的出现。

3对飞机起飞的解释

同样想在微观解释飞机能飞的根本原因，首先要明白空气在经过机翼过程中，各种力的变化。这个要比沙尘暴原理复杂得多，飞机的机翼上方有一种特殊的凸起，专业术语成为翼型，因为这种弯曲的存在，与流经机翼平坦下表面的空气相比，流经弯曲上边面的空气速度更快。还有类对称翼形的飞机（起顶部和底部的曲率相当），水平状态流经空气时，上下机翼几乎没有速度差的存在。很明显要想解释速度差的存在，与机翼横截面形状密不可分。大气的分子永远在做无规则运动，所以还需要简化模型来加以解释，因为是机翼和空气的相对运动而产生的速度，所以模型可以看成是空气分子不动（指：单个分子在活动范围内处于动态平衡），只有飞机在动，其实在宏观世界里就是飞机在没有风的情况下起飞[2]。简化的模型也就符合事实，放大在二维世界中的空气分子依然有无数种动态平衡，现在把空气分子简化为只有上下左右的动态平衡，机翼在静止时受到个方向的力相同，所以各方的力都是动态平衡的。飞机开始向前滑行时最前端的分子受到机翼挤压，上端分子被迫沿着机翼开始向上移动，从前端到最高点一直在挤压，力是相互的，所以上端分子也对机翼产生向下的压力，这就使得垂直的分子密度加大，宏观表现为压强变大，分子到达最高点后，依然受到上面分子的挤压，最下面的分子会继续沿着机翼表面向下移动直到机翼末端，这个过程中分子上下移动的速度没有变，但由于高低落差加大，导致与机翼的撞击频率减少，从而这段位置机翼所受的压强变小。机翼下端分子因为机翼底面是平的，所以从刚开始到末端，分子没有发生位移，到最后和上面分子重新汇合（如图4）。

这个过程空气分子在水平方向一直处于平衡状态，所以这个过程可以比喻为两个轮子挨着，两个轮子上都安装有弹簧（弹簧就是垂直叠加的分子），弹簧是固定的，轮子只是上下移动，机翼将从两个轮子中间穿过，这个过程中轮子受力的变化，近似空气分子的变化。整过过程从开始到最后有一个比较有意思的现象，就是上下分子走的距离不一样，但是所花时间却是一样的，根据速度公式v=s/t，S1>S2，T1=T2所以V1>V2，这个结果就和实验所得的结果一致，机翼表面的速度差就是这样形成的。但是上端分子在运动到最高点之前，是有向下的压力，这部分压力会抵消掉一部分升力，上机翼总的压力減小值应该是后段的压力减小变化值减去前段压力增加变化值所求的值，所以就算在同样的S1.S2条件下，最高点位置不同，升力也会不一样，在同样的速度和方向下，升力为1>2>3（如图5：理论应该1为升力，2的升力为0，3的升力为负数）。

上表面凸起翼型类飞机的升力原理就是这样的，虽然有速度差变化，但速度差只是翼型类飞机的特点和现象，不是升力的本质。还有一类对称翼型飞机，或是上表面和下表面均为平坦翼型飞机，必须借助一定角度来提供升力，宏观适用于牛顿的作用力和反作用力原理。微观世界机翼下表面其实就是上面讲的分子从开始到到最高点的过程，产生的高压区。机翼上表面压力变化类似于后半段分子从最高点到最低点的过程，落差导致压力减小。机翼下方的空气分子密度加大，机翼上方的空气密度变小，形成压力差，使得下方对机翼的压力大于上方对机翼的压力，从而产生升力，使飞机也能飞起来。但两类机翼还是各有特点，在相同横截面积的前提下，可以看得出这类飞机升力的效率更高，但在控制方面还是翼型类飞机更加稳一些，精度更高些。

明白飞机升力的原理后，想让上凸翼型飞机提高升力，就是增加速度差（增加动力。在一定范围增加上表面与下表面的长度差，）减小前端到最高点产生的向下压力，增加下表面面积（面积增加，所受分子力就更大）。对于对称类飞机要想增加升力，在一定范围内增加仰角，增加动力，提高速度，增加底面面积[3]。

只要符合升力原理，在怪异的飞机也能飞上天飞机在现实中遇到的情况，比理论复杂多了，受到其他力的干扰也很大，当然也就比沙尘暴复杂得多。最后想说，微观世界的现象很多就是宏观现象的本质。

参考文献

[1] 景江红，卢启勇，陈杰.伯努利原理在生活中的应用[J].科学技术创新，2020（3）：27-28.

[2] 熊珮.浅谈侧风对飞机起飞着陆的影响及修正原理[J].中国新技术新产品，2019（21）：36-37.

[3] 娄东杰.飞机起飞重量错误风险分析及控制[D].天津：中国民航大学，2016.