伯努利空气游乐园

一、

天亮了,太阳从南方高高升起,她揉揉眼睛,伸伸懒腰打了一个哈欠。这团被呼出的热气,一路向北飘去。

它的里面是一支浩浩荡荡,热闹非凡的空气分子大部队,每一个空气分子都像是一台游乐场里的碰碰车,方向乱打,对象不分,撞到一起就开怀大笑,乐此不疲!而且越撞越带劲,越撞越有力。他们不停地相互碰撞,又被对方弹开,接着又和另外一个分子碰到一起。他们如此自由自在,似乎这样的快乐永远不会停歇。

突然,一股巨大的力量把这团空气一撕为二。前一刻还在相互碰撞玩耍的空气分子们,这一刻被这突然而来的庞大屏障给硬生拆散了,他们吓的惊慌失措。

这屏障弯曲向上高高凸起,把位于屏障上方的空气分子们挤得前胸贴后背,“碰碰车”的方向盘不能随便乱打了,“碰碰车”只好变成了公路上守规矩的“普通小轿车”,一个挨着一个秩序井然地向前开。速度倒是提上去了,可是他们一点劲头都没有。不能自由地碰撞嬉戏,他们一点儿都不快乐,真是觉得沮丧无力。

与此同时,屏障下方的空间变得前所未有地空旷和寂寞。听着从屏障上方传来的微弱求救声,屏障下方的空气分子们一个个心急如焚,只想着怎么才能把困在上面的小伙伴们救出来。可他们除了会相互碰撞,其他什么都不会。他们想着:那我们大家一起就卯足全力去把这个屏障撞开,撞碎,救出我们的朋友!他们一个个都使出了全身力气,撞向这个坚固的屏障,而屏障却纹丝不动。为了困在上面的朋友,他们一二再再而三地撞上去,奋不顾身。

不知过了多久,就在他们快要精疲力竭的时候,屏障撤开了。

喜出望外两股空气分子兴奋地涌入对方,重新又合并成一团气体。没有任何异物挡在他们中间,他们又开无忧无虑地相互碰撞。现在的他们多么快乐自在!之前的一切就好像什么都没发生似的,他们如此继续飘向北方。




二、

春回大地,一个小女孩抬头望向天空,看到一只燕子乘着从南方的吹来的暖风,飞向北方。

一对修长的翅膀,弯曲而又微微向上拱起,向前伸展后,向后微微翻转角度,燕子一阵发力猛地向斜后下方拍打下去。此时,翅膀下生出一股短暂斜向上涌动的气流,燕子迅速地收回双翅,轻盈的小小身躯瞬间被这向上的气流托起向上,向前,很快这气流就减弱停止了。只见她立刻向前伸展自己的双翅,向后微微反转角度,又一阵发力向斜后拍打双翅。

很快燕子就飞出了小女孩视线,一路向北。


三、

在飞机被发明之前的两千多年,飞行一直是人类的梦想。人们不断观察鸟类的身体结构和飞行方式,直到探索发展出了空气动力学,才使得后来飞机的发明制造突飞猛进,在短短一百年后,莱特兄弟发明的飞机飞上了蓝天。

鸟的翅膀结构可以产生升力(图片来源:新浪博客)

鸟的翅膀拥有特殊的形状,微微向上弯曲,并且呈流线型。在鸟类在滑行过程中,他们的翅膀会产生很大的升力。(空气分子的故事)这是由于他们翅膀的弯曲向上凸起,从横截面来看,其翅膀的上表面长度大于其下表面长度,使得上表面的空气流速大于下表面的空气流速,从而翅膀下表面的压力大于上表面的压力。这样造成了翅膀上下表面间的压力差,而这就产生了升力。(伯努利定律—是由牛顿第三定律推导而得,文章最后我写了一下我自己的理解。)

伯努利定律原理(来源:百度百科)

向前飞行需要两个力,一个是向上的升力,一个是向前的推力。拿飞机来说,飞机的机翼模仿了鸟类的翅膀形状,产生了升力;而飞机的推力依靠的是强大的引擎,给飞机提供向前飞行的动力。对于鸟类来说,他们的推力是依靠什么呢?鸟类依靠的是有角度的拍打翅膀。就好像蝶泳员游泳一样,他们向前伸开双臂,双臂入水后用力向斜后方划去的时候水也把蝶泳运动员往前推了一段。(牛顿第三定律:力的作用是相互的)所以,也可以说鸟的飞行就是在空气中“游泳”。

下面是我自己对于“伯努利定律—是由牛顿第三定律推导而得”的理解。

我们知道,空气中充满了空气分子,它们无时不刻都在进行着不规则运动,这不规则的运动被称为“分子运动论”。分子的不规则运动在气体和液体中能容易被观察到,温度越高的环境,运动速度越快,温度越低的环境,运动速度越慢。在自然界中,空气流动的动力根本上源自太阳的照射提供热量。空气分子在做不规则运动时,相互碰撞就产生了力,这就体现了牛顿第三定律里力的作用是相互的。(空气的主要成分是氧气和氮气。空气分子的不规则运动,实际上是氧气分子和氮气分子的不规则运动。)

分子的无规则运动(图片来源:维基百科)

在鸟的翅膀形状的例子里,翅膀向上凸起,对于要通过翅膀上表面的空气分子来说,它们的这一段路径变窄了,所以空气分子通过翅膀上表面的速度加快,来不及撞击翅膀的上表面,这时候,空气对翅膀上表面的压力就减小了。相比之下,翅膀下表面的这一段路径变宽了,空气分子通过翅膀下表面的速度变慢,它们可以定定心心撞击翅膀的下表面,这时候,空气对翅膀下表面的压力就增大了。所以,下表面的压力大于上表面的压力,两边压力一抵消,再减去重力和阻力这些其他的力,多余的力就是升力。而这就是伯努利定律。

茜雯

2017年10月11日

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