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空氣的平均相對原子質(zhì)量 空氣的平均相對分子質(zhì)量

“想飛上天,和太陽肩并肩……”
飛天 , 一直是深藏在人類心中的一個夢想,因為這個夢想 , 我們有了紙鳶、氫氣球以及……現(xiàn)代飛行器 。
翻看航空航天相關(guān)的書籍文獻,你會發(fā)現(xiàn):目前,人類飛上天的方法只有三種!
01 變得比空氣更輕
在標準狀況下,空氣的平均相對分子質(zhì)量為 29,只要能找到比空氣分子量更小東西,它就能在空氣中飄起來,如果足夠“輕” , 甚至能把人帶“飛”,如氫氣球、氦氣球等 。
中國第一個氫氣球是由晚清軍工專家華蘅芳制造的 , 他制造氫氣球的方法 , 在今天看來其實很簡單,就是利用強酸和金屬反應(yīng)產(chǎn)生氫氣,然后再將氫氣充入氣球內(nèi) 。

空氣的平均相對原子質(zhì)量 空氣的平均相對分子質(zhì)量


△《武備學(xué)堂演放氣球》華蘅芳的氣球升空情景
我們熟悉的熱氣球 , 則利用熱氣代替比空氣更輕的氫氣或氦氣,由于氣體的密度與絕對溫度成反比,因此可以通過升高溫度來減小氣體的密度和質(zhì)量,從而達到比空氣輕的目的 。古老的孔明燈是最早出現(xiàn)的熱氣球 。
氫氣球也好 , 熱氣球也罷 , 二者雖然都很好,卻難以控制它們的飛行方向,為了更好地控制飛行姿態(tài)和方向,同樣基于“變得更輕”的思想方法,人們設(shè)計制造了飛艇 。
飛艇把比空氣更輕的氣體(一般使用安全性更好的氦氣)充入內(nèi)部,用以提供升力,然后在飛艇上安裝發(fā)動機為飛艇水平移動提供推行動力并借此來控制飛行姿態(tài) 。
02 制造空氣壓差來升空
當物體在空中飛行時,使上表面空氣流速大于下表面,形成空氣壓差 , 也是實現(xiàn)飛行的一種方法 。
當上下表面存在空氣壓差,物體就可以獲得一個升力,要是這個升力大到足夠克服地球引力,物體就可以離開地面了!
鳥類就是利用空氣壓差來飛行的 。鳥類具有天生的飛行身體條件:巧妙運用空氣動力學(xué)的翅膀、由堅硬輕細的中空骨頭構(gòu)成的骨架結(jié)構(gòu)、發(fā)達的胸肌、獨特的呼吸系統(tǒng)以及輕而柔滑的羽毛等 。
鳥類能夠飛行的主要原因是它們掌握了“制造空氣壓差”的飛行知識 。當鳥兒在空中滑翔時,空氣在翅膀上、下部形成壓強差,產(chǎn)生一個向上的升力,從而可以把鳥兒托在空中而不至于往下掉[6] 。
除此之外,鳥類采用積極主動的撲翼飛行來產(chǎn)生一定的氣動升力,鳥類的翅膀在撲動時,相當于飛機的螺旋槳或噴氣推進裝置,使鳥類可以保持持續(xù)的飛行狀態(tài) 。
其實在早期,魯班制造的木鳥、達·芬奇的撲翼飛機都企圖模仿鳥兒的飛行狀態(tài)來實現(xiàn)升空的目的,但他們的飛行計劃都以失敗告終,其原因就在于缺乏對空氣動力學(xué)原理的認知 , 盲目模仿鳥類翅膀的幾何外形和撲動形式 。
空氣的平均相對原子質(zhì)量 空氣的平均相對分子質(zhì)量


△達芬奇的撲翼飛機圖紙,圖片來源:Britannica
不過,當人們開始開始了解空氣動力學(xué)并研制出像風(fēng)箏一樣的固定翼飛行器時,成功飛天的現(xiàn)代交通工具——飛機得以誕生 。飛機和風(fēng)箏的飛行原理一樣,都是通過機翼上下表面的氣流速度不同 , 制造氣壓差,進而獲得升力 。
總而言之 , 不管是鳥類、風(fēng)箏、螺旋槳、噴氣式飛機還是直升機,它們都是通過“制造壓差”的方法飛行的,只不過它們的獲得上升條件的形式不一樣 。
【空氣的平均相對原子質(zhì)量 空氣的平均相對分子質(zhì)量】03 向下噴射物質(zhì)獲得飛天動力
假如我們飛天的目標是沖出地球,那么前兩種方法也許就不太適用了,因為太空中是一個失重環(huán)境,基本沒有空氣也制造不了壓差 。所以需要借助其他力量實現(xiàn)飛行 。

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