大雁到底会不大雁会游泳吗啊

中班语言活动教案详案评析《大雁考上邮递员》
中班语言活动教案详案评析《大雁考上邮递员》
  活动背景:
  故事《大雁考上邮递员》是中班主题活动《小鸟,你好》其中的一个语言活动,这则故事虽然经过了文学加工,但内容还是侧重于科学知识的介绍,其中鸽子对小鸭、麻雀、大雁三个角色进行考试时,出现的对话在语言表达上比较简单。而参考教材中的活动过程主要是结合图片使用先分段讲述然后提问的听讲形式,如果&依瓢画葫芦&照搬教案,虽然幼儿也能理解故事内容,记住故事情节,但幼儿会觉得教学方法单调影响学习兴趣。经过仔细斟酌,我发现故事具有线索明确,角色动作性强的特点,因此在处理活动的重难点时,我特意改变了教学方法,采用我班幼儿喜爱的表演游戏,让幼儿结合语言、动作表现对故事情节的理解,然后进行看图讲述,使幼儿在轻松的气氛中主动创编故事情节及角色对话。
  活动目标:
  ⒈借助角色扮演大胆地用动作、语言表达自己对故事情节的理解。
  ⒉知道各种鸟类动物都有自己的优点、长处。
  活动准备:
  ⒈知识准备:和幼儿一起搜集各种常见鸟儿的图片、图书,了解它们的名字与特点,并用不同的方式表达出来。
  ⒉教具:鸽子送信的小图片;鸽子、鸭子、麻雀、大雁的胸饰图片;把幼儿画册画面放大成挂图;背景图一幅(画有蓝天草地大海)。
  活动过程:
  ㈠运用鸽子送信的小图片,介绍鸽子是森林邮局的邮递员。
  ⒈提问:这是谁?信鸽有什么本领?(幼儿简单交流)
  ⒉小结:鸽子是森林邮局的邮递员,能飞过高山、飞过大海、飞过大片的草地,把信寄到目的地。
  ⒊教师以信鸽的口吻提出:&近来森林邮局需要招收一批象信鸽一样能干的邮递员,为大家送信做好事,你们觉得哪个小鸟适合当邮递员,请你们代它们来报名?说说为什么觉得它适合当邮递员?&(鼓励幼儿简单阐述自己的看法)评析:教学参考书中在活动开始部分,以提问的形式直接提出主题内容:&邮局要通过考试招收新成员,主要考走路、游泳、飞行三项,谁会去报考呢?(教案出自:屈老师教案网)&在制定教学方案时我考虑到幼儿的思维特点和班级幼儿的兴趣点,对提问内容作了扩展,在观察与讨论中简略有目的地介绍了&信鸽老师&这个特定的故事主角,为后面的教学重点作好了铺垫;紧接着请幼儿代表小鸟报名参考,既活跃了幼儿思维的积极性,又了解了幼儿前阶段积累的知识经验。
  ㈡借助角色表演&模拟考试&帮助幼儿理解故事情节,鼓励幼儿大胆地用动作、语言表达自己的想法。
  ⒈运用背景图(画有蓝天草地大海)设置表演场景,提出模拟考试的要求、对象。
  教师边在胸口贴上信鸽标记边以&信鸽&的口吻提出:&送信是一项光荣而艰苦的工作,一名合格的邮递员要能飞过高山、飞过大海、飞过大片的草地,所以并不是所有的小鸟可以当上邮递员的,因此森林邮局委托我--信鸽老师,对报名参加邮递员考试的鸟儿进行三项考试:飞行、游泳、走路。现在信鸽老师准备对小鸭、麻雀、大雁进行第一批考试,谁愿意扮演它们参加考试,余下的小朋友当观众帮助信鸽老师分析考试情况。&⒉分段表演引导幼儿理解故事内容。
  ⑴结合动作、语言表演小鸭考试的情景。
  ①(出示小鸭图片)看,谁第一个参加考试了?哪个小朋友来扮演小鸭呢?重点学习语句:小鸭游得稳稳当当,走路一摇一摆。
  ②出示鸭子飞行、走路、游泳情景的图片集体分析:看看小鸭究竟考得怎样?与XX小朋友表演得一致吗?
  ③由&信鸽老师&和幼儿一起边表演边结合动作重点学习语句:&小鸭游得稳稳当当,走路一摇一摆,可是飞不起来&,集体得出小鸭没有通过考试的结论。
  ⑵继续由幼儿扮演麻雀参加模拟考试,指导幼儿结合动作学习语句:&麻雀走路一蹦一跳,飞得又轻又巧,但不会游泳。&接着参照图片总结麻雀的考试成绩。
  ⑶出示大雁飞行、走路、游泳的图片,集体扮演大雁角色进行模拟考试,并结合表演动作学习语句:&大雁游泳稳稳当当,走路还稳当,飞行是又高又稳&,最后一起祝贺大雁考试合格。
  评析:将教学活动游戏化后,幼儿在学习过程中挂上小鸭、麻雀、大雁的胸饰,就很快融入了角色之中,(教案出自:屈老师教案网)就像天才表演家似地积极转换角色身份,与教师扮演的&信鸽老师&发生互动对话,进行动作表演,其他幼儿则自觉转换为&评委&身份。在表演的过程中幼儿积极运用动作和语言表现自己对图片内容以及故事情节的理解,既能够反映幼儿当前的知识经验,又能发展幼儿的说、演等多种能力。例如宇航在扮演麻雀走路时运用户外观察到的经验,夸张地一蹦一跳,得到了&小评委&热烈的掌声;而蓥樱小朋友代表小鸭参考过程中不切实际做出优美的飞行动作时, &小评委&则激动地叫出来:&小鸭怎么会飞呢?&&小鸭飞行考试通不过。&正是游戏化的教学形式为幼儿大胆地表述、应答、表演创造了气氛,有效地调动了幼儿的学习主动性、创造性。
  ㈢结合刚才出示的三幅图片,师生完整地看图讲述故事《大雁考上邮递员》。
  教师:&信鸽老师录取了谁?为什么只有大雁考上了邮递员?这些图片记录了大雁、鸭子、麻雀参加邮递员考试的事情,请小朋友仔细看着图片,用刚才表演时学到的语句编一个完整的故事。&(让一部分幼儿带着问题边观察图片边尝试看图讲述,其他幼儿认真倾听同伴的讲述)评析:进行看图讲述,有利于幼儿进一步加深幼儿对故事内容的理解,能够灵活运用一些词语表达故事内容。
  ㈣通过讨论为麻雀、鸭子等鸟儿寻找合适的工作,进一步了解各种鸟的特长。
  ⒈提问:&麻雀落水时谁救起了它?从这件事中你能发现小鸭适合做什么工作?&(水上救生员、游泳运动员等)&麻雀做什么工作最合适呢?&
  ⒉&刚才参加报考邮递员的燕子、啄木鸟、猫头鹰它们适合做什么工作呢?&(鼓励幼儿大胆说出自己的意见,如:猫头鹰捉老鼠;燕子捉害虫,&&。)
  评析:此环节具有首尾呼应的作用,幼儿在&为小鸟找工作&过程中能认真讨论鸟儿各自的特长提出合适的建议,既促进了幼儿的分析能力,也提高了幼儿的语言表达能力。
  活动评析:《纲要》在语言领域中指出:&幼儿的语言能力是在运用的过程中发展起来的,发展幼儿语言的关键是创设一个能使他们想说、敢说、喜欢说、有机会说并能积极应答的环境&。针对语言领域的特殊性,在本次活动着重为幼儿创设了表演游戏的活动氛围,让幼儿在图片的提示及师幼互动的表演过程中,积极创编出合理的故事情节及角色对话,通过主动表演主动讲述,变&要幼儿说话&为&幼儿要说、敢说、乐说、能说、会说&的学习方式,提高了教学活动的实效。
  活动目标:
  ⒈借助角色扮演大胆地用动作、语言表达自己对故事情节的理解。
  ⒉知道各种鸟类动物都有自己的优点、长处。
  活动准备:
  ⒈知识准备:和幼儿一起搜集各种常见鸟儿的图片、图书,了解它们的名字与特点,并用不同的方式表达出来。
  ⒉教具:根据故事内容准备图标。
  活动过程:
  一、运用鸽子送信的图片,森林邮局的邮递员的工作性质。
  ⒈提问:这是谁?信鸽有什么本领?(幼儿简单交流)⒉小结:鸽子是森林邮局的邮递员,能飞过高山、飞过大海、飞过大片的草地,把信寄到目的地。
  二、借助角色表演&模拟考试&帮助幼儿理解故事情节,鼓励幼儿大胆地用动作、语言表达自己的想法。
  1.提出考试要求,引出故事。
  (1)&近来森林邮局需要招收一位象信鸽一样能干的邮递员,为大家送信做好事,信鸽老师说要对报名参加邮递员考试的鸟儿进行三项考试:飞行、游泳、走路(出示图标)。你们觉得哪种鸟能够来报名了。
  (幼儿讨论、回答)
  (2)&我们来看一看今天谁来报名了&(出示小鸭、麻雀、大雁的图片)
  (3)师:&送信是一项光荣而艰苦的工作,一名合格的邮递员要能飞过高山、飞过大海、飞过大片的草地,(教案出自:屈老师教案网)所以并不是所有的小鸟可以当上邮递员的,因此森林邮局委托我--现在信鸽老师准备对它们三个进行考试,谁愿意扮演它们参加考试,余下的小朋友当观众帮助信鸽老师分析考试情况。&
  ⒉分段表演引导幼儿理解故事内容。
  ⑴结合动作、语言表演小鸭考试的情景。
  ①(出示小鸭图片)&看,谁第一个参加考试了?小朋友想一想小鸭子考试会是什么样了?&边讨论老师边指图标引导幼儿讲述:小鸭游得稳稳当当,走路一摇一摆、可是飞不起来。
  ②请一位幼儿来扮演小鸭进行表演。
  ③由&信鸽老师&和幼儿一起边表演边结合动作重点学习语句:&小鸭游得稳稳当当,走路一摇一摆,可是飞不起来&,集体得出小鸭没有通过考试的结论。
  ⑵结合动作、语言表演小麻雀考试的情景。
  ①&第二个参加考试的是小麻雀,小朋友想想它考这三项会是什么样的了?&先请幼儿扮演麻雀考试。
  ②出示图片分析小麻雀飞行、走路、游泳的动作。指导幼儿结合动作学习语句:&麻雀走路一蹦一跳,飞得又轻又巧,但不会游泳。&接着参照图片总结麻雀的考试成绩。
  ③请幼儿讨论大雁考试的情况,老师出示大雁飞行、走路、游泳的图片,讲述大雁的本领&大雁游泳稳稳当当,走路还稳当,飞行是又高又稳&,集体扮演大雁角色进行模拟考试,并结合表演动作学习语句:&大雁游泳稳稳当当,走路还稳当,飞行是又高又快&,最后一起祝贺大雁考试合格。
  三、结合刚才出示的三组图片,师生完整地看图讲述故事《大雁考上邮递员》。
  教师:&信鸽老师录取了谁?为什么只有大雁考上了邮递员?这些图片记录了大雁、鸭子、麻雀参加邮递员考试的事情,请小朋友仔细看着图片,(教案出自:屈老师教案网)用刚才表演时学到的语句编一个完整的故事。&四、通过讨论为麻雀、鸭子等鸟儿寻找合适的工作,进一步了解各种鸟的特长。
  ⒈小鸭和麻雀没有当上邮递员,那以它们本领,可以干什么了?提问:&麻雀落水时谁救起了它?从这件事中你能发现小鸭适合做什么工作?&(水上救生员、游泳运动员等)&麻雀做什么工作最合适呢?&
  ⒉出示鹦鹉、啄木鸟、猫头鹰的图片它们适合做什么工作呢?&(鼓励幼儿大胆说出自己的意见,如:猫头鹰捉老鼠,可以做警察;啄木鸟捉害虫,可以当医生;鹦鹉很漂亮,可以做模特。)
  3.那么小黄莺、八哥鸟、小喜鹊、老鹰、仙鹤可以干什么了?下课以后我们再讨论一下吧。
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如果一群大雁在头顶上空成圆形盘旋,是真实的不是做梦,许多人看到的,大概10月份左右,大雁不是应该一字或者人字形飞行的吗?怎么会成圆形在上空盘旋?
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我国的大雁是春分后飞回北方繁殖,寒露后飞往南方越冬.无论是起飞或降落都会在天空中盘旋一会儿.起飞时,是为了等待其他大雁;中途休息或到达目的降落时,是为了观察情况.
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例A:一只大鸟全展翅宽时左边翅膀长为1.0米,宽0.4米,下扇时的最大行程1.6米,每秒扇动3次,并保持水平下扇,空气每立方米重1.205公斤,翅膀向下行程设为匀加速直线运动。求在静止空气中,大鸟原地垂直起飞时,向下行程大约能够撑起多重的身体,翅膀前后压强差是多少?
解:根据题意
& 1、已知:
流道面积=鸟的翅膀面积=(1.0&0.4)=0.4(平方米)
周边流道总长=(1.6+0.5+0.5)&2=5.2(米)
(其中翅膀前方与前弯道为0.5米,翅膀后方与后弯道为0.5米,流道如上图的气流线。)
周边流场流道的流体体积=0.4&5.2=2.08(立方米)
周边流场流道空气质量m=周边流场流道流体体积&&1.205=2.08&1.205=2.506(公斤)
1.6米行程花费时间:每秒扇动3次,即每秒6个行程,若每个行程所花时间相同,则每个行程用时t为0.167秒
空气加速度a=2s/(t&t)=2&1.6&(0.167&0.167)=114(每秒每秒米)
& 末速度V2=at=114&0.167=19(每秒米)
& 2、根据公式(A),有
F =ma+f=2.506&114+f
(牛/单个翅膀)
向上行程没有升力,与另一只翅膀升力互抵。低速时空气阻力f很小,可以忽略,即f约为零。
答:向下行程大约能够提供支撑力285牛,或撑起大约28公斤重的大鸟在空气中不下降(保持不上不下的状态),翅膀前后面的压强差为712牛/每平米(需要注意的是,该行程含有平板与流体间的相对加速运动,其背面压强与伯努利计算结果不相等。因为伯努利方程仅用于无相对加速度的稳定态)。
如果每秒扇动2次翅膀,提供支撑力128牛,或撑起12公斤重的大鸟,翅膀前后面的压强差为320牛/每平米。
可见每秒振动翅膀的次数对升力影响巨大,这是因为改变周边流场的惯性系统的阻力变化率大的缘故。&&
小鸟、小昆虫翅膀小,可以通过高速振翅获得升力,支撑自己的重量在空气中飞翔。由于翅膀小,在翅膀背面的空洞区外边沿向内的部分,容易产生旋涡(或速度梯度大),造成转动能量较大,所以还要考虑转动能量的影响,不能只考虑平动的动能,这在附页与后面的部分会谈到。
例B:若例A中的下行程分为二段行程,其中第一段路程仍为匀加速直线运动,在到达1.0米时,末速度达到19(米/秒)(与例A的1.6米时的末速度相等),之后,在第二段路程中改为匀速直线运动,问这二段行程中各能支撑大鸟重量多少公斤,翅膀前后面的压强差是多少?
& 1、第一段(0至1.0米)
& S=(1/2)a(t&t)
&代入上式得:
&&t=2S/V2=2&1.0&19=0.105
&&a=V2/t=19&0.105=180
& 由公式(A)有:
=ma+f=2.506&180+f
=451+f (牛、单翅膀)
& 2、第二段(1.0至1.6米)
因为该段翅膀行程为匀速直线运动,即流体与平板的相对加速度为零,虽然翅膀速度为最大,但对周边流场的系统惯性没有多少改变,翅膀没有受到流体力的作用,真空区动态消失(仅有粘性力产生的一点压强差,可由伯努利方程的速度头折算来的部分,或静压强转化的部分),只有空气阻力的作用,空气阻力在低速时很小(尽管此时速度是第一段的最大速度,但因为得不到真空区的力量,真空区的力量只有具有相对加速度时呈现),所以无法支撑大鸟的重量。
=ma+f=2.506&0+f
=f (牛、单翅膀)
答:在第一段行程时翅膀升力可支撑起45公斤重的大鸟,在空气中不上不下,翅膀前后面的压强差为1127牛/每平米(需注意的是,该段有相对加速度,所以真空力起很大作用[改变周边流场的惯性,得到反作用力],做功量不为零,翅膀背面压强变化值比伯努利算出的要大,伯努利公式只能用于做功量为零的稳定流动状态)。
在第二段行程时,因翅膀对流体没有相对加速度,没有改变周边流场流体的系统惯性,流场对翅膀的反作用力很小(如果在理想流体下,可以认为是零),尽管此时速度是第一阶段中最大的,仍无法撑起鸟的自身重量,这时翅膀前后面的压强差很小(如果是理想流体,几乎无反作用力,这可以从达朗贝尔流体科学家的预言中理解到。),翅膀背面的尾流几乎完全填补了空洞区,空洞区处于动态平衡(动态消失)中,在实际空气中只有粘性阻力起压强差。
比较二段,可以知道,鸟类飞行的行程不同,过程升力大小相差悬殊,要得到升力,就必须借助真空区,对周边流场的流体惯性进行改变,只有改变了系统惯性,才能从流体中获得反作用力,支撑起鸟的自身重量。
& 从流体力学出发,鸟类对空气做功除了平动惯性,还有转动惯性(特别是背面的周边部分,气流强烈填充真空区,会产生很多旋涡,会提供更多升力)、压强能量等提供升力,特别是鸟类起飞后,一般采用“抱水”飞行方式,升力会提高数倍(见第二部分),鸟类翅膀行程变得很小,以减少自身的运动量,可谓动物的“智能”飞行。另外鸟类飞行与鱼的游泳是同一个原理,固定翼飞机等也是同一个原理,它们同属于真空原理,这在第二部分可以感受到。
鸟类对空气做功,一般可以用下式表示:
翅膀做功=(位能2+速度能2+静压能2+内能2)-(位能1+速度能1+静压能1+内能1)+阻力损失能
(该式用法见本部分附页)。
&鸟类在空中飞行(或游泳)的受力分析。
&鸟类在飞翔时用翅膀上下扇动,现用一刚性薄板代替翅膀的作用,并分析如下:
我们将刚性薄板水平放置于静止空气中,并沿铅垂向剖切,得剖面四个角点位置ABCD,见图一。此时薄板不动,薄板相对于空气的速度V=0。图中E和F分别为C和D的重叠点,固定在坐标上,不随薄板运动,薄板所占据的自身空间没有空气分子,可视为空气在此空间为真空。
板的上下面均受到相等的空气压力,在不计重力(以下均如此)下,板处于静止悬浮状态,即静平衡状态。
现将板以V速度向下移动,经瞬间后,板到达ABCD新位置。这时DCEF构成了新产生的立体空间(与向书里的水平面一同构成),这个空间原为薄板所占据,为真空,没有空气分子。这时EF线段(或水平面)以上的空气分子将向DC线段(或水平面)运动,形成扩散,以填补新出现的真空空间,沿F至D方向,离DC线段(或水平面)近的真空度较高,即空气较稀薄,空气的压强较小,如图图二所示,DCEF构成了稀薄空气区,即真空区。(如果注意到EF水平面的分子总是落后DC平面,因为平板总是要先移动,然后流体分子才能跟着扩散到达,在存在系统惯性阻力的情况下,将出现“脱层”,在这个“脱层”空间压强将是变得很低,这就与定常柏努利原理根本不同了,正是这点不同,可能因此产生了与柏努利不同的答案,即使得鸟类获得了足够的飞行力量)。
按牛顿定律,作用力与反作用力大小相等,方向相反,且作用在不同物体上,作用点是在相互作用的物体那个接触点上。此时薄板受力是最靠近薄板边界层的空气给薄板的作用力,这个力是DC流体真空度最高的,它产生的真空力最大。板因上方产生了真空,板的上方原来作用于板的空气压强减弱,即向下的压力减小,就是说,向下的力量减小了。板的下方AB平面受空气的压力不变,板的总受力为下方作用力减去上方的作用力(即P下—P稀薄=P合力),此时合力不为零,合力方向向上,使薄板作向上的加速度运动,即使薄板的向下速度减慢,如图三所示。其中P下代表下面板的压力,P稀薄代表上面板的压力。只要有相对速度,两个压力相减应为正值,且方向向上,使薄板减速。
现在我们来看鸟类在空气中的几种飞行状态:
1、悬停于空中:
当P合力等于鸟重量,并方向垂直向上时。鸟类翅膀在空气中是往下扇动的,扇动的两翅膀上方产生的真空区力等于鸟的自身体重,且与重力重合,这样鸟就静止不动了。
2、向前飞:
&当P合力大于或等于鸟重量,方向向上,并倾斜一个a角度时,如图四所示。
现鸟向图四的左方(认左方为鸟飞行的前方),这时鸟类翅膀在空气中往左方倾斜一个a角度,往下扇动,扇动的两翅膀上方产生的真空区力大于重力。这时P合力就会分解为一个水平分力和一个垂直分力,如图五所示。
P水平分力使鸟往左方飞行。P垂直分力分为三种情况:当等于重力时,鸟保持水平飞行,即合成后,鸟往左水平飞行;当大于重力时,鸟保持向上飞行,即合成后,鸟往左偏上方向飞行;当小于重力时,鸟保持向下飞行,即合成后,鸟往左下方向飞行。
&3、向上飞:
当P合力大于鸟的重量,且方向垂直向上时。这时鸟类翅膀在空气中是往下扇动的,扇动的两翅膀上方产生的真空区力大于鸟的自身体重,且与重力重合,这样鸟就往上飞,垂直飞行。
4、向后飞:
将a角度变为负值时,情况就与正值相反了,可参照上方自行分析。
5、鸟类翅膀向上运动时,翅膀的羽毛会透过空气,减少了向上运动阻力。使得来回运动一次,总的力量为向上。
6、鸟在平飞,翅膀不振动时,翅膀的前上部分较厚,与飞机机翼相近或相同,产生升力原理为真空原理,见本文章第二部分。在翅膀上表面产生了真空区(主要有二个,一个是伯努利真空区,一个是惯性真空区,[另外的是阻力真空区,一般不计]),真空力产生了升力。
7、鸟的振动翅膀平飞,是上述二种真空区(力)的叠加。
8、虽然上述惯性与伯努利力及流体阻力能够让生物与飞机得以飞行,但能够让鸟类与飞机持续飞行的力却是:他们采用了“抱水”技术(“抱水”源于游泳,只需很短的路程,得到很强[几倍]的流体反作用力,详见第二部分的四点)使得上述真空力得以充分发挥。平时看到的生物特技飞行均与此有关。
&&综上,鸟的翅膀振动向下平飞时,会在翅膀的上方产生一个真空区(紧靠翅膀上方的背面),并使翅膀产生一个向上的作用力,这个作用力的方向向上,能使鸟停留于空中或向上飞行,而不掉下来。平时鸟的翅膀方向与力度在空气中总是不停的变化,其产生的真空区力,也随着相应的变化,这就使得鸟类能够向前、向后、向上、向下或悬浮于空气中,作任意的三维运动。鸟类中的可弯曲翅膀(如蝙蝠、小尺寸的昆虫类)飞行,也是真空产生升力的,只是它们比较另类,需要更多的想象,才能破解,留在后面逐项分析探讨。
&真空区力与挤压区力组成翅膀的主要压强差力,是鸟类飞行的基本升力(指在垂直方向),与之相应的还有补充力,如阻力(粘性力)等,大家可以照此方法自行分析,这里就不叙述了。
鸟类借助真空得到了飞行所需要的垂直能量,属于位能,就是高度能量,只能在原地上下折腾,无法远行。为了生存,它必须占据更多的自然资源,更多的地域,这就必须学会既省力又飞得远的方法,滑行能将位能转变成动能,让鸟飞得远。只有这样鸟类才能完成自己的使命。鸟类利用翅膀的下凹上凸面进行滑行(如飞机的固定机翼一样),将位能转变成动能,完成使命。关于滑行原理,请看第二部分。
鸟类在空气中不仅是翅膀对空气起能量交流作用,它的全身各部分的外表面都与空气进行能量交流,因而最终的飞行方向与速度是由整个身体合力的受力决定的。
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----作者:鄢光明
流体学的计算原理与方法:
&鸟类飞行的主要力量来源于翅膀相对于周边流体的相对运动时,周边流场产生了系统惯性阻力,这个阻力在翅膀的运动前面产生了惯性挤压力(或称正压力,相应的区称为挤压区或正压区),背面产生了惯性真空力(或称负压力,相应的区称为真空区或负压区[这个空洞区可为绝对真空,以后再探讨]),翅膀前后面的压力差(或压强差),即升力(指在垂直方向时)。鸟类正是通过这个真空区产生了翅膀周围流体的特殊运动,通过这个压力差产生了鸟类飞行(或游泳)的升力(或运动力)。
鸟类翅膀对流场中的流体的能量交换用式表示为:
&&&翅膀做功(能)=(位能2+速度能2+静压能2+内能2)-(位能1+速度能1+静压能1+内能1)+阻力损失能
流体指流动物体,空气与水、海水均属流体。
为了以后各部分的说明简单,暂时将这个说法称为鄢氏说法,以区别于其它原理的说法。
在空气中,鸟类与空气为二元体系,翅膀与空气快速相对运动时,在翅膀背面产生空洞区,空洞区为真空,在这个强大的真空区的吸引下,周围的空气分子向其运动;在翅膀前方,空气分子不断被挤压入前方空气中,产生挤压区正压力,空气分子向周围扩散。在前方为正压强,背面方为负压强的情况下,翅膀又快速向前方空气作运动,空气就形成了从前方向后方的流动运动,形成流动的通道,我们通过计算这个通道的空气能量变化,就可以大体计算出翅膀的做功能量了。
&1、&计算原理:
鸟类翅膀的扇动,带动周边空气流道的空气做运动,改变了空气的运动(状态)参数,即改变了空气的惯性,当改变的惯性力的反作用力大于鸟类体重时,鸟类就会起飞。一般地说,鸟类仅在与流体处于相对加速时,才能撑起自身的体重,当加速停止时,真空区处于动态消失中,支撑鸟类体重的主要力量也消失。
鸟类对空气的做功,与空气能量的增加相等,而空气的能量分为位能、速度能、静压能、内能及阻力损失能,它们之间可以用式表示为:
翅膀做功=(位能2+速度能2+静压能2+内能2)-(位能1+速度能1+静压能1+内能1)+阻力损失能…………(附页1)
&&式中,翅膀做功(能)表示翅膀对空气做了功,根据功能守恒原理,这个功就是鸟类做的功。相反,鸟类得到了这个空气对它的翅膀反作用力(大小相等方向相反),不断提升鸟类的位能(高度能)和动能(速度能),达到飞行的目的。
式中左边数值等于零时,为伯努利状态,即伯努利方程(仅用于稳定态的流体中);左边数值大于零时,为翅膀对流场的流体做正功;左边数值小于零时,为翅膀吸收流体的能量,如翅膀吸收上升气流的能量。该公式可用在非稳定态的流体中,在真空概念下,常为此状态。动物类更是此状态,利用真空,使流体的加速,得到流体对动物的反作用力,才能使动物体现多彩多姿的飞行技巧,这在抱水原理时会用到。当在稳定态下,真空区处于动态消失中,做功量为零时,计算的值与伯努利基本相同。所以伯努利是该式的特例。不然计算结果可能出入巨大(如几倍,几十倍,…不等),如在刚开始时,即T=0时刻,真空度为10牛(如当翅膀以加速度大于流体填补加速度时,流体与翅膀分离[这可用电梯地板上站的人做个比喻,电梯在静止时,人与地板互相作用力为人体重力,突然电梯以等于或大于重力加速度向地心方向做加速时,人与电梯地板相互分离,人与电梯地板之间没有相互作用力,即作用力为零),伯努利静压不变,真空度为0牛(静压能与运动能尚未相互转化),二者比值为10/0,若可比,为无穷倍。具体可参见另一篇真空概念的博文。
由于流道的每一小部分空气分子的参数都不相同,且每一不同时刻它们又都处于变化之中,因此计算时先要决定流场的参数随时间变化的规律,再将各参数代入上式,在时间作微增量后再对上式积分。但要设定这个流场的参数规律,目前实践还很难。这里就不多花时间探讨了。
&&空气可以认为是个不可压缩的理想流体(介于0.9至1.1的压缩比时),所以上式可以改写为:
翅膀做功=(位能2+速度能2+静压能2)-(位能1+速度能1+静压能1)
式中位能为空气的高度能量,在翅膀的行程中,很短,一般不足2米,可以忽略不计,上式可以写成:
&&翅膀做功能=(速度能2+静压能2)-(速度能1+静压能1)……(附页2)
& 在同一只鸟,静压能差别很小,可忽略,上式也可以写成:
&&翅膀做功能=(速度能2)-(速度能1)……(附页2)
速度能含平动,转动(如旋涡,等)等复合运动能。
&&&2、计算方法:
& 为了能够粗略计算出该公式,我们建立一个流场回路(如电场或磁场那样),这个回路由翅膀与周边流道组成,周边流道范围为,有在翅膀活动期中,有移动的流体分子的整体组成。周边流场的走向从翅膀前面出发,经过流道,回到翅膀背面,如图B所示(原理见另一篇,真空区概念)。
根据公式有流场的内部能量提升与翅膀外部流道的能量增量相等。流道空气在翅膀前面推动,翅膀背面拉动下做增加能量的运动。由(附页2)公式,翅膀的做功能量式为
&&翅膀做功=[(速度能2+静压能2)-(速度能1+静压能1)]&流道空气质量
& 若设在同一高度下,有限的翅膀力度下,静压能变化不大,略去后,上式变为速度能的增量。对流道速度能的计算,能够粗略代表鸟类的升力,下扇时升力方向向上。上式简化为
& & 翅膀做功能=[速度能2-速度能1]&流道空气质量
& 根据翅膀做功的运动规律,代入上式,可以做粗略的计算升力了。如翅膀做匀加速直线运动时,就成了前面例题A、B的粗略计算方法的依据了,这时的字符物理量是当量。
生物用力时,用力处于随时变化,因此加速度是变化的,特别是在运动时,用暴发力时,加速度会很大,这时背面真空度会比较高,产生的流体反作用力会很大。
自行车运动员一字型行进的省力原理
根据鄢氏说法,自行车运动员的每位在运动时,背面都会有一个紧贴在身背的真空区,这个真空区让每位都在周身边形成一个从前部(如头部)至背部的空气流动通道,如图所示。图中示出了第一个运动员的周边流场情况。
&V1表示自行车运动员相对空气的速度,前进方向向左,V背表示自行车运动员背面回流空气的速度,有箭头的线表示从头部流到背部的空气流线。要使后边自行车运动员的阻力最小,就是对空气的相对速度最小,因为阻力与相对速度成平方关系,故在图中可以看出,后一位运动员要跟紧前一位运动员的背部。这样在后一位运动员的头部与前部分的相对空气速度减少到V1-V背。而V1-V背速度,在稳定状态下,一般很接近;在加速状态下,会大一点,这可以参看例B,但始终还是不大。因为V1-V背很小,所以后一位运动员的身体前一部分的阻力减少了,虽然他的身体很大一部分还是暴露在正常的空气速度阻力区,但身体的总阻力变小了。在运动中,减少的阻力,可以为运动员创造更好的成绩,所以运动员都采用一字型排列。如图所示,表示自行车运动员的头部在前一位运动员的背部运动时,头部区的空气相对速度为V1-V背。
在有人跟踪的运动中,在加速度段时,第一位运动员将付出比原来只有一个人运动时的力量要大。这是因为,在他的背后的真空区,需要吸引后面的气流来补充空洞区,而这时的尾流不再是全部流体分子,而是被第二位运动员占据了,为了改变这个运动员的惯性,要比原先改变流体分子来得慢,在此特殊情况下,补充的流体分子只能改道而来,这就会引起更大的流体间的旋涡形成,造成能量的损耗。同时,第二位运动员在加速段跟踪时少用了力量。因为来自第一位运动员的背面空洞区的吸引力加大了,造成V1-V背相对缩小,头部附近的身体少了阻力。
在垂直方向上,运动员的重量力与地面对运动员的支撑力相平衡,运动员不需要什么特别措施。但鸟类在空中受不到地面支撑力,如果V1-V背过小,升力不足,体重就会超过升力,就会从空中掉下来。所以鸟类飞行不能紧挨着一字型飞行,要有适当间距。
大雁人字型飞行的省力原理&
&大雁飞行时,从头部的正面水平方向看,如图所示。
&翅膀下扇时,以在身体的固定支撑点作扇形运动,空气从翅膀的下方扇形周边往上方流动,以固定点为圆心,空气流有离开圆心向翅膀外流动的惯性,即朝向身体外侧运动的趋势。另一方面,鸟又向前飞,空气流是向后运动的,合成向外与向后的空气运动,运动方向为:左翅膀的空气流为向左后并向上;右翅膀为向右后,并向上。所以后面的大雁就要排成人字形的。另外,前一只大雁翅膀向上的气流有一定的能量,这在附2公式中可以看到(从公式的左边向右边转化),后一只大雁向下扇动时,就可以通过翅膀将其“捕获”(从公式的右边向左边转化),成为自身的能量,如图所示。
大雁在飞行时的人字形,要排成对称的,或尽量对称的。这是因为在周边空气流场中,不对称可能会产生头雁的左右翅膀力量不平衡,左右翅膀飞行久了会难受。
不能一只大雁跟着一只大雁,和自行车运动那样一字型排列,紧随后面的原因是,在大雁的尾部,也有回流区,后一只大雁没有足够的迎面风速(见自行车运动员一字型排列的原理),无法得到足够的升力,以抵抗大雁自身的重量,会掉下来等。
第二部分:
本探索是用鄢氏的真空概念来解释鱼、人、固定翼飞机的机翼等的飞行(或游泳)时,如何能够支撑起它们如此大的重量和飞行(或游泳)的力量,与其他书籍看到的内容可能很不一样(其他书籍中讲的是流速大,压强低,产生机翼升力。这儿是真空区产生了真空区力,且十分强大。如鸟类可以在空气静止时,获得很大上升力)。在鄢氏说法中,各种外形固定的物体在流体(空气与水均属流体)中的飞行或游泳都可以解释为同一个原理,飞行与游泳是同一概念。其中飞行或游泳的力量来源不是单纯的被赶往前方去的流体数量,而是与物体的周边流场的惯性变化,或能量变化联系在一起的,流体之间的相互作用,使质量就大了很多倍,所以飞行或游泳就不缺乏升力的来源。
& 在鄢氏说法中的基本公式为(附页1)的广泛式,即:
& &生物或非生物的固定外形体做功能=(位能2+速度能2+静压能2+内能2)-(位能1+速度能1+静压能1+内能1)+阻力损失能
&上式表明,固形物对流体的做功等于流场的流体能量增量。左边在具体应用时可以更改,如是鱼,则为鱼的尾做功能,或鱼的鳍做功能等;如是人,则为手的做功能,脚的做功能等。右边为对应的流场的流体被做功后的增量。也可以是整个的固形物,如鸟的做功能,指整只鸟,包括头、身体、脚等各部分之和。另外也可以包含固定物体,如在风中的房屋,桥梁等。
要注意:相对于流体运动的物体(含生物)的背面处因为前面已经将经过的流体分子挤入前方的流体中,后方没有流体分子,将背面与行进过程做一背面的外包络线,外包络线形成空洞区(如下图),设为一个刚性的薄板,垂直放置与书面,其中CD为背面运动前的位置,AB为背面运动后的位置,由ABDC两个平面与AC构成的空间为真空区,该区内流体在运动过程均被赶往前方,没有流体分子留下。这个空洞区犹如“黑洞”会在未填满流体分子时,不断地将周围的分子吸引到“黑洞”中,以降低它的压强。而这个期初吸引力为绝对真空,经过逐步填充的流体分子会逐步降低真空度。这个黑洞一方面直接与背面相接,另一方面与流体相连。与背面相接,直接拉住背面,阻碍物体往前方继续运动;与流体相连,流体分子在流体内部压强差下,坠向“黑洞”。
& 这是鄢氏的通用说法。下面我们将这个“真空统一论”用于不同的飞行物,进行具体分析。
一、鱼类的游泳(飞行)原理
鱼在游泳中,能够游泳,一般解释为是鱼的尾巴摆动时,将尾巴前面的水摔向前方,鱼取得水的反作用力,进而带动鱼身游动。但这样的解释,鱼儿得到水的力量很小,因为前方的水只有一小部分,不足以解释鱼儿的强劲力量来源,这与鸟类有相同的感觉,仅靠前方的空气,不足以在空气中支撑鸟的重量是一样的道理。下面用鄢氏说法来看鱼儿的强劲动力其实来自真空的原理。如图所示
鱼的摆尾运动是全身的运动,围绕全身周边的水量很大,象鲸鱼,海豚等,一旦鱼用力,就会获得很大的反作用力,驱动庞大的身体前进。
& &鱼儿在垂直方向上的平衡主要靠自身比重与水的比重相近,和肚中的空气瞟,另外是小鳍,就是小的鱼翅膀,它摆动与鱼的摆尾道理相同,可让鱼在上下前后得到分力,让鱼得到小的力量与运动。
&人类游泳(飞行)原理
人类游泳原理与鱼儿游泳原理类似,人类的游泳主要靠手、脚、身作为划水动作,并将得到的力量,一方面保持身体在水中的上下左右(即沿前进方向轴的)平衡,另一方面将力量尽量往运动的前方方向分配,即轴向分力,使分力方向与运动方向一致,且尽可能大。
手、脚是人类游泳最主要的划水形式,它们的划水,得到水的反作用力的道理是一样的。
人向左边游泳时,左手在水中划水的俯视图,左手掌周边的流体流场情况,如图所示。
左手掌向右划水,在手掌的前方产生了挤压区,提高了手掌的前方水压强,手掌的背面因为空出了空间,形成了空洞区,产生了真空,背面水压强降低,挤压区与真空区的压强共同作用,形成了手掌前后面的压强差,压强差由挤压区压强与真空区压强的绝对值之和,手掌对水的作用力向右,水对手掌的反作用力向左,使人体向左运动。
在蝶泳游泳中,人体从胸部或腰部发出的力,沿下身振动的、上下波幅运动,头在水面,脚在水下,正视图如图所示。
人体向左边游泳,蝶泳人面部向水下,身体下半身正准备向上振起,作一条直线AB与下半身的某一点相切,并在切点处作一垂直面KK,从B向A方向看去,做一剖切图,如图所示。
假设相切部位是大腿部,在大腿部的上方将水往上方的水中挤,大腿部对水做功,使接触的上方水的压强升高,在大腿部的下方,空洞区产生,吸引周围的水往空洞区填充,形成真空区,水压强下降,腰部上下部的压强差相互增强,大腿部振起的方向向上,大腿部对水的作用力是向上又向后的,水对腰部的反作用力是向下又向前的,即与Xox轴形成角xCB,将它在Xox上投影求分力,就是往前的力。往另一垂直轴的投影求分力,就是往下的力,与身体的上身形成在垂直方向的平衡力(矩)。由于用身体来做浆,浆面很大,形成的周边流场也很大,质量也很大,力量也就很大,所以在游泳中用它的速度甚至会达到最大。如在潜泳中,它的速度甚至比自由泳还要快。
& 在反相中,是蝶泳的主要用力,大腿与小腿往下用力时,水平分力往左,垂直分力往上。
蛙泳中有一个夹腿动作,可以增加向前的速度,大小腿往人的中心线夹紧时,腿的内侧为挤压区,外侧为真空区,形成的力在人的中心线上的分力是与人的前进方向一致,使人获得夹腿的额外力。
在游泳中,手面积最小,但可以发挥手臂的面积作用,这样可以使手与手臂共同加大周边流场;脚的面积次之,但可以发挥腿的面积作用,这样脚与腿共同加大周边流场;身体的面积最大,只要全身参与抖动,就有可能达到最好效果。
&&当然游泳还有一个重要的技术,就是抱水,就是用很短的划水行程,获得很大的力,如自由泳中的手臂在刚划动的时候,进行的抱水,就是这个原理,在下面会做解释。
潜泳与蝶泳,还具有全身波浪运动,这个波浪运动可能更多的是全身参加了真空划水运动。我们将在蛇类游泳中分析,因为蛇类也是用了同样的方法。
蛇类游泳原理
&&&& 蛇类在行进方式上是以弯曲的形式出现,在硬地上较不弯曲,在沙地上较弯曲,在水中最弯曲,在光滑冰面上怎么弯曲也无法前进。这是因为它要从不同的附着物上获得不同的反作用力,使它不得不采用各种的曲率来适应。并将得到的反作用力在前进方向上的分力尽可能大,这样才能让它向预定前方移动的分动力尽可能大。
一、蛇类在硬地上行走时的受力分析:
蛇在硬地上弯曲行走时,地与蛇身之间产生了摩擦力,地不移动,蛇在移动。在蛇身摩擦力作用点K处,做一地对蛇的摩擦力N,其俯视图如下图所示。
将摩擦力N在Y轴向的投影,其分力就是蛇获得沿Y向的运动力,这个力推动蛇移动(向图的上方,即Y轴的反向,负值)。
蛇在沙地上弯曲行走时,沙地与蛇身之间产生摩擦力,沙在移动,蛇为获得沙面的水平反作用力,也跟随移动,增加了蛇身的曲率。在蛇身摩擦力作用点K处,做一新沙地对蛇身的摩擦力N,其俯视图如下图所示。
将摩擦力N(作用点会随沙移动)在Y轴向的投影,其分力就是蛇获得沿Y向的运动力,这个力推动蛇移动(向图的上方,即Y轴的反向,负值)。
由于蛇对沙的作用力,使沙往N的反方向移动,蛇要获得沙的进一步摩擦力,蛇就必须跟随沙的移动,才能在新的沙位置获得沙对蛇的反作用力,产生蛇的新移动。
蛇在水面上弯曲行走时,水面对蛇身产生了反作用力,水在移动,一般水比沙移动距离更大,蛇为获得水的水平反作用力,也跟随水移动,蛇身弯曲要更大,否则得不到足够大的反力。
在水对蛇身反作用力点K处,做一水被蛇身推移到新的地点的,水对蛇的作用力N,显示水与沙情况时的位置,水比沙后移距离更大,蛇身曲率亦更大,其俯视图如下图所示。
将摩擦力N(作用点会随水移动)在Y轴向的投影,其分力就是蛇获得沿Y向的运动力,这个力推动蛇移动(向图的上方,即Y轴的反向,负值)。
由于蛇对水的作用力,使水往N的反方向移动,蛇要获得水的进一步摩擦力,蛇就必须跟随水的移动,才能在新的水位置获得水对蛇的反作用力,产生蛇的新移动。
过蛇身的水与蛇身力作用点K处,作一与蛇身纵向相切的线MM,过K点作其垂线LL,水对蛇身的反作用力N,使蛇移动。蛇身在K处附近移动时的周边水的流场简图,真空区力与N同向,如下图所示:
蛇在光滑的水平冰面上移动,因为无法获得水平摩擦力,在原地上无法移动,尽管弯曲最大。
软(弯曲、薄)翅膀鸟类飞行原理
软(弯曲、薄)翅膀的鸟类行进方式与获得反作用力方式与蛇类类同。仅是因为它的翅膀在蛇类的平面的曲线基础上,进行立体的曲面化,以适应这个获力方法。我们建立一个三维坐标,蝙蝠水平飞行时,坐标的任一与蝙蝠头与脚的边线,平行的垂直面与翅膀相交,基本上是一条线,这条线类似于蛇的游泳身体线,其用力方式基本相同,往后方推。另外蝙蝠还用了摆式抱水方式,这种方式常用于蜂鸟的空中直立飞行。
小昆虫由于翅膀很小,背面四周边缘均存在大量的流速差的区域,因此应用了旋涡原理,即公式中的动能的第二种形式,旋转能量,即刚体的转动能量。在小翅膀的背面,靠近边缘部分与流体流速差别大的地方容易出现旋转,它具有能量,从而有很大的反作用力,这可以从上面提到的公式进行计算与解释。昆虫类飞行一般使用摆式抱水方式,能量利用率不高,但升力提升明显。在小型翅膀类飞行中,转动能量方面转化为升力的占主要地位。&
&&二、固定翼飞机的飞行(游泳)原理
固定机翼飞行原理,平时说是下表面平,没有引起流体流动速度变化,而上表面曲面,引起上表面的流体流过上表面时,流动速度比较快,速度比较快的流体压强低,所以上下表面间就有了压强差,这个压强差能够将飞机撑起来。
&但在这里,我们将用鄢氏说法来解释,会有另类的看法。
&鄢氏说法,机翼的下表面是平的,没有什么特别,但是,上表面是个曲面,在前半部分是逐步增高的,后半部分是逐步降低的,飞机的固定翼机翼剖切图如图所示。
&&&&&&&&&&
在机翼前方,让一空气质点,从M处开始,沿机翼上方流过机翼,到达N点。与从下方沿MN线流过,到达N点,比较二者在这段水平分速度上没有什么差别(在理想流体下)。但在垂直方向上,有很大不同,在下方(沿MN线)通过的质点,在垂直方向上的位移为零。在上方通过的质点,首先不断升高(以MN线为水平线的垂直参考线),到达最高点后,又逐步降低至零。在垂直分加速度上先是正(MC段),后是负(CN段),从而符合鄢氏说法:在前半部分流体分子不断被挤进前方空气中,呈现出正压强。在C点作一垂直线,则在垂线与M点间的机翼段受到向下的推力,应该往下方运动;后半部分流体分子因为沿C至N曲线运动,不断降低高度,相当于C至N线的曲线不断往下方运动,形成空洞区,周围的流体分子不断被吸引,填充空洞区,真空区形成。在机翼往左运动时,加快了挤压区的正压强流体向空洞区的负压强流场的流动,从而形成周边流场。特别是机翼运动速度很快时,流道会往后面延伸,形成空洞区的扩大,使升力大增。
也可以这样来理解,就是前半部分机翼不断往上方运动,将空气挤入上方空气中,后半部分机翼不断向下方运动,造成空洞区,周围的空气被强力吸引而不断从上方,后方补充,以减小真空区的负压强,当机翼速度很快时,后方的填充流体分子很少,或者说被前方的气流赶往后方,来不及填充空洞区,使得空洞区明显增大,而使机翼升力大增。
根据鄢氏说法在机翼的上翼面将产生周边流场,空气将可能从挤压区流向真空区,如图所示。
&&&&&&&还可以这样来理解,在C点作一垂线,交MN于D点,将MD线沿反时针旋转九十度角,再将DN线沿顺时针旋转九十度角,如图所示。&
&&&&从图中可以看出,其与鸟类飞行原理、或鱼类游泳原理的周边流场图很相近,它们相差九十度角而转变来的,是个振动翅膀的变形体。如何证明这个效果和翅膀的振动效果有同工异曲之效和他们就是相同的真空原理而在不同场合的表现形式?下面我们就来试解开这个疑问(可以看抱水原理部分或博文另一篇固定翼飞机机翼升力原理的悖论),在机翼图的上机翼最高点C处作一垂线,垂足K,将机翼切开,左边的作为一个新机翼,向左方向前进,结果只会获得向下的升力(即负升力),尽管机翼上曲线比下曲线长,上曲线的流速快,下直线的流速慢,但流速差并不引起升力,而是产生下降力(即使剖切机翼沿水平方向延长图像(变扁),结果也是一样),如图所示。
机翼右边部分也作为一个新机翼,也向左方前进,上曲线比下曲线长,上曲线流速大,下曲线流速小,符合流速差产生升力原理,升力向上,如图所示。
从真空原理解释,上图的CN曲线向左运动后,C点向下运动到N点,相当于C点在垂直方向上不断下降,形成真空区,所以对机翼有向上的作用力,使机翼产生升力。
鸟类不但能够振翅向上飞行,还能够滑翔飞行。在振翅飞行时,借助真空获得支撑力,不断提升自己的位能。但要飞得远,就得将位能转变成动能,有了速度,才能飞得更远。滑行是最好的方法,既向前运动,形成前冲动能,同时向下,省力,将位能转变成动能,再用动能克服不大的滑行阻力,实现到达远距离的目标。所以鸟类的翅膀不但下方有凹的部分,上方还有凸的部分,为位能转变成动能做好了准备。
&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&&
旋翼机(直升机)飞机飞行原理
生物类持续飞行原理
生物为了生存,时常需要较远飞行,如大雁、候鸟等,这就需要鸟类用较少的运动量得到较大的升力,以维持较长时间的飞翔而不至于太累。不能单靠起飞时的百米冲刺用力,否则只需要几十秒后就无法继续飞行了。鸟类可以在飞行途中利用上升气流进行飞行,减少自身的力量损耗,将上升的气流转化为位能,后将位能转化为动能,如图所示,此时翅膀做功量为负数。这解决了一点小事。另外群体飞行可以减少阻力,也使长途飞行减少了体力消耗。如大雁人字型飞行,既有减少阻力的作用,也有接受前一只雁的翅膀上升气流作用。
& & 但真正起长途主导作用的则是:鸟类起飞后,接着就将身体的位能转化为向前方倾斜的力,将位能转化为运动能量,产生向前速度,在长途飞行中,依靠不断的转化与直接的倾斜使力,不断提高速度。长途中主要的能量损失是空气阻力,因此提高的速度与损失之间最后达到平衡。长途的运动速度,使鸟类得到了抱水飞行的良好外部流体状态,可以用很轻松的姿势取得很大的附着空气的力,使用力成了小行程,即用小的翅膀运动,就可以获得很大的做功能量。做功能量大,进而提高了鸟的重力势能,势能转化为动能(这可以通过滑行技术,即是翅膀的滑行,会产生升力,将势能转化为动能),为鸟类长途飞行提供了主要动力。
&随着人类的进步,很多旅行未来可能是免费的,这有赖于三栖飞行器的发展,因为三栖飞行器可以通过上升气流来免费提升自己的位能,然后再将位能转化为动量。上升气流可以从各种前进船舶的船头,在前进的船头上方的上升气流获得(参见上图),从而使免费旅行成为可能。另外,自主充电型(充能量型)的三栖飞行器还可以从前进中的空气与水中获取能量,补充自己已经减少的能量。
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四、游泳中的抱水原理
燕子在调整飞行时,突然拐弯,前进方向的速度迅速消失,经过短暂的弯道后,往相反方向飞行,这股力量来源于“抱水”。游泳中的一种游泳姿势称为“抱水动作”,能够在较短的用力划行行程中得到很大的力量,就好比不会溜冰者在没有附着力的冰面上滑行,突然抓住了锚一样,可以有力的附着感,提高游泳速度,增加暴发力的用力效果,在长游泳行程中减少手的快速运动,减少疲劳,保持体力。同样是划水,划空气,在相同的行程下,能够得到数倍的力量,这就是神奇的抱水。游泳中的找静水原理,实际上就是让尽可能多的水形成周边流场,并让它在小速度时动起来。因为小速度比大速度改变惯性时,得到水的反作用力更大。
&&&&抱水,就是借助真空,将流体尽可能的抱住,让固体能够在流体中抓牢而用上力,用较短的行程得到较大的反作用力。
抱水原理:浸没在流体中的固形物能够不间断地获得低能位流体,并对低能位流体做功,提高能位后,抛离该流体,从而获得流体给予的强力反作用力。
&流体不断从固形物的前面进入,被做功后,不断离开,在运动的轨迹上,留下持续不间断的已经被提高到较高能位的流体。这些流体对固形物的反作用力,构成了固形物的阻力,这使固形物有了力的着力点,可以进行其他的作为。如鸟类翅膀下扇时,翅膀受空气的反作用力向上,翅膀将这个向上的力传递给身体,身体受到向上的力,提高身体的位能。又如飞机的机翼,在机翼的下方受到流体向上的反作用力,这个反作用力传递到飞机机身,使飞机位能得到提高。
那么如何应用这个原理呢?下面我们分不同的情况进行分析。
&&&在日常学习中一般仅对一个刚性物体做力的分析,但在流体中就要对一大堆相互作用的“可流动”的刚性物体做力的分析,他们之间有着一定的联系但又有区别。现我们从实际出发,逐步理解,最终明确流体中的抱水,在真空原理下的特殊性。
设有一条光滑的铁轨,上面放一块重物,质量为m,由一个人在铁轨上推动,人的速度最大为每秒10米,质量速度最大也仅能为每秒10米。那么当这个人的速度与重物一同达到10米时,重物的动能达到最大1/2mv2(其中速度v等于10米/秒)。继续奔跑,重物的动能无法增加了,人对重物不能继续做功。
如果在铁轨上有第二个重物,与第一个重物相接触放在一起,或很近,那么这个人继续推动重物,两块重物都可能达到相同的速度(或第一个重物达到最大速度后,抛离,推动第二个重物)。最大动能就有可能是1/2mv2的两倍,即是一个重物时的两倍,这个人就增加了做功能力一倍,或可以说他可能得到了重物给他的反作用力多了一倍。对于N个物体来说,也是类似的。流体是由无数个极小的物体联系成的,因此也有类似的情况。
上面我们讲过,真空原理下的浸没在流体中的固形物,在流体中作相对流体的运动时,周边会形成流场,流场中的流体会一同运动。就是说固形物的运动,不是只推动前方的流体,还推动了周边的流体,对周边流体也做了功,所以它的做功能力得到了增加。在不同的场合,增加量是不一样的,理论上讲可以增加抱水力上百倍、数千倍等等,但实际上,在背面流体与背面分离前才被认为是现实的,以后如无特殊说明,均指此情况。
第一种抱水方式:直线抱水方式。
该种方式,我们常不计其为抱水,因为它仅为最基本的,日常也不认为是抱水的。
如一块刚性薄平板,从起点A,直线平动到达极远的终点B,且AB在同一条直线上。平板速度为不大的V,在平板周围的流体流动状态到达稳定后,这个周边流场被视为一个当量质量,在AB线上取得的长度,被视为一个当量长度,如CD线段。平板继续前行,平板每增加一个长度,就会增加一倍的做功量。依此类推,N段,就会增加N倍。平板在不断的将静止的流体从前方进入,到背面提高了能位后抛离,实现了抱水。如图所示。
也可以用每前进一个微段,对线段进行积分后,结果相同。
这是从起点到终点的抱水,它的抱水力是最小的。&
第二种抱水方式:推式抱水方式。
&&&设一正方形平板的上下面,薄到可以重合为一条投影直线AB,其中Y轴垂直于书面,方向向书外,AB线与水平轴形成一交角ABL,当平板以V的速度从右向左水平运动时,平板AB线段在Z轴上的投影为OK(AL为A点之垂线,等于OK)线段,与垂直于书面的水平长度组成一个长方形投影的垂直投影分平面。平板AB线段在X轴上的投影为LB线段,与垂直于书面的水平长度组成一个长方形投影的水平投影分平面。如图所示:
流体分子从左向右相对运动,在A点处接触平板,沿着AB直线流动,到达B点,即平板背面与所经过的路程,形成的立体空间,所有流体分子均被赶往前方,立体空间内没有流体分子,形成空洞,运动时平板产生了周边流场,如下图所示:
平板在垂直轴向的投影平面形成的周边流场,如下图所示:
局部放大后的图:
图上表明,该分平面的真空区力为水平分力,阻碍平板前进。
平板在水平轴向的投影平面形成的周边流场,如下图所示:
局部放大后的图:
分投影平面受真空区力向上,使平板向上运动。
综合垂直与水平真空区力的分力后,平板受力方向为向后向上,即在第一象限方位,起点在平板上。
与第一种抱水方式相同,在平板成一倾角下,平板水平运动,到达稳定后,周边流场在起点与终点的连线上,设为一个当量长度。每延长一个当量长度,增加做功量一倍,依此类推,N个当量长度,抱水功量就会增加N倍,等等。
这种抱水方式可以在固定翼飞机的翅膀,水面滑板,风筝等情况下见到。
第三种抱水方式:橹式抱水方式。
在第二种抱水方式中,将平板AB线成水平放置,其右端点B,固联(或焊接)在W轴上,平板斜放,并将另一平行边ab的b点,也焊接在W轴上,让平板绕着W轴旋转。如图所示:
类似情况,如直升机机翼的旋转轴与翼桨,固定翼螺旋桨飞机的螺旋桨,船的橹与固定橹的铰接,在活动时的相对固定间隔时间段,可视为固定铰接,流体输送机类(如风机的叶片与叶轮轴、水泵的叶片与叶轮轴、船舶的旋转推进器、日常风扇等)、竹片做的飞天小蜻蜓等,都是这种情况。平板在绕着W轴,以反时针旋转时,平板将进入AB线点的流体,推向下方,到达ab线后离开平板,即流体向下运动,平板往上运动,即旋转方向与前进方向垂直。平板的水平投影、垂直投影分平面与周边流场图与第二抱水方式类同,但在从轴向上的行进路程相同下,第二种方式在路程中的任一时刻只是一个平面面积,而本方式却是个园环平面(且平面被包含在园环内,且只是一小部分),面积要大
很多倍。所以本
方式的平板做功能力与周边流体产生的反作用力都很大,会大数倍。
&&&&以上三种抱水方式,在机械中、人造产品中经常见到,一般可认为稳定态的抱水方式,随时间,一般不会变化。
在人类自由泳中的抱水中,人从B点向A点游动,手伸向头部,入水后,手走向S型划水,分二个方向运动:一方面,入水的手从头顶向脚方向划水(沿AB向),为第一种抱水方式,产生阻力(方向B指向A),水对手的作用力方向从脚向头部,让手停下运动。手受力后,拉住身体,让身体向头部方向运动,如图所示。
另一方面,入水的手向头部与脚的连线方向的垂直方向运动,即往肩膀连线的方向,并与垂直方向有一倾角,为第三种抱水方式,产生大面积的水与手接触,使水向脚方向运动。这时手获得向头部方向的力作用。手再把力传递给身体,让身体向头部方向运动。
S型抱水既含第一种与第三种抱水方式,移动的水量为长乘宽(宽为肩膀方向的手运动宽度),这比一字型直线划水(仅第一种抱水方式,宽度为手掌宽)的抱水明显多了几倍的周边水量,作用力大了几倍,自然手向脚方向的划水速度下降了,可以明显感觉到手被周围的水抱住了。除了手的周边水被抱住,并推动外,手的划行与在找“静水(原理)”,尽量让静止的水运动起来。因为静止(或小速度)的水比大速度的水拥有惯性大。所以经过抱水的水具有更大的反作用力,更像手被水抱住了,不能动了的感觉。
非稳定态的飞行方式:最能体现真空原理的飞行方式
生物由于自身的柔韧性,身体的各部位在飞行中可以相互移动与旋转,结合多种抱水方式,迎合周边流场的状况,展现出多彩多姿的飞行技巧,令我们人造飞行器至今无法企及。不过随着真空原理与建立在真空原理下的抱水原理的破解,结合电脑技术,人类完全可以凭借更强劲的人造动力,达到或超越这一技巧,完全有能力用较小的翅膀,完成至今人类仍然热盼的依靠翅膀,在空中自由飞翔的梦想。如在静止的地面起飞,每平方厘米产生10牛的升力,也未必不能做到。如果有能力持续,将意味着,人类的体重100公斤,只需不到长10厘米,宽10厘米的两个翅膀,就可以升空飞行了,这比鸟类在升力上要强大得多了。因为机械产生的加速度远比生物的加速度大得多,产生的真空度要高得多,在背面上得到的真空力就强大得多。
生物在飞行中,一般都同时使用了多种抱水方式,如蜂鸟的直立或横立飞行技巧、鸟类长途轻扇翅膀,悠闲飞行技巧、燕子快速拐弯技巧、蜻蜓快速平飞技巧、蜂类飞行技巧、鱼类摆尾游泳技巧、海豚上下飞腾式泳技巧,等等,这些都是多种抱水方式的综合作用结果,我们可以通过分析,将它们分解成简单的若干抱水方式,逐一得到解释。
生物本身由于尺度小,一般不能达到稳定状态的飞行阶段,从而采用了令人信服的非稳定态飞行方式,使得更充分利用真空原理的瞬间全真空飞行力量(如果生物的暴发力能够使翅膀加速度大于其与流体的加速度),使飞行变得更加惊叹,更加多姿多彩。
第四种抱水方式:摆式抱水方式。
&&&&&&摆式抱水方式,象鱼尾巴,鸟翅膀,蜜蜂翅膀等,在围绕一个固定点做一部分的圆周运动。如下图。
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&五、达朗贝尔预言的悖论
&&&&世界经典的流体学家对流体学中的理想流体曾下过这样的结论与推想:
&&&&理想流体绕流物体的流线图形是对称的,所以物体前后不会产生压力差。
&&&&法国理论流体力学家达朗贝尔曾依据这个结果推想,如果在河中放一个圆柱体或者一条船,并不固定它们,它们会一动也不动,水应平稳地绕流过它们,对它们不会起任何作用。这就是著名的达朗贝尔“疑”题或悖论。但是任何一个人经验都知道,实际上不是这么回事,如果不把它们固定住,河水将把它们(因有阻力产生)冲走!
该如何来证明这个推想是对还是错呢?
按上述说法,一条左右对称的小船,在充满理想流体的小河中,理想流体从上游向下游流过对称的小船时,流速不管大小,小船不管停留多长时间,船在没有锚等固定下,在水流中,会始终纹丝不动地停止在原地,或者说流体对船头与船尾连线方向没有相互作用力,船的左右舷有作用力,也是一对平衡的反力,船始终保持原有的静止状态。
理想流体是有质量但没有粘性力的流体,有质量,必定具有惯性。因为有惯性,固体物(如小船)在浸没的流体中,如下图所示,为一固体物(小船)在充满理想流体的小河中。
固体物(小船),从AD位置,相对流体方向到达BC位置时,固体物(小船)的前方(如船头)就会将迎面的流体赶开,固体物(小船)的背面(如船尾)流体就会与河中流体以相同的速度流过,固体物(小船)的背面因流体流走,没有流体,形成船尾空洞。如下图所示,ABCD形成的区域与垂直书面的船排开的水的船底部分,形成的立体空间,构成空洞区,即真空区。周边流体在真空区的真空力吸引下,如AD线与OX轴交点处的一点K,该点处流体分子因有质量,有惯性,保持正向运动状态,受到真空力的吸引,先回头减速(负加速度),至零速度后,倒退,负方向加速(与正向流体方向相反),进而跟随固体物背面一同运动(方向为X轴负向),情况如下图所示。
根据力的原理,真空区力吸引流体从X轴正向回头的力E,作用点在流体上,其反作用力F吸引小船从X轴负向的力,阻碍小船前进,形成阻力,作用点在小船上,如下图所示:
EF大小相等,方向相反,而且作用在同一条直线上,作用点在相互作用的各自物体上。
这就是说,船因流体的惯性,产生了真空区,真空区力作用于流体上,改变了流体的运动状态。流体对船产生了大小相等,方向相反的反作用力,这个反作用力改变了船的运动状态,使小船不再纹丝不动了。
亦可以直接用真空原理证明之。因为船与流体的相对运动,在船尾必然出现几何空洞区,流体要填补空洞区,而流体有质量,要改变质量的惯性,相互间就必须有力的作用,相互作用的力改变了流体的运动状态,反作用力亦改变了船的运动状态,所以船不可能纹丝不动。
第三部分:
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探寻流体全能飞行器
用真空原理打造的流体全能飞行器,与陆地车辆行走、蓄电池、及其他技术合璧,可能生产出一种三栖动物式的科幻飞行器,将人类以省能源的形式,跨洲际、跨洋际旅行,它可以利用旅行途中的大气、水流自主补充能源,它的着陆与起飞可水上、水下任意式的,途中任何险阻都可以认为是坦途。
&前面已经对空气与水的飞行与游泳原理进行了介绍,那么设想一个既可以在空气又能在水下或水面飞行或游泳的飞行器应该是可以了。再加上现有的陆地运动原理,如车辆的行走,动物的行走,就可能创新出一种三栖飞行器了。下面我们就开始探寻。
&首先是解决飞行器的能源是否具备环球飞行的需求。在飞行器的途中,必须具备有自主可以储蓄能源的蓄能器。如燃料电池,锂电池、氢气能等。比如我们现在选定了锂电池作为途中的蓄能器。那么途中的假设与一艘巨轮同向行驶,飞行器可以在巨轮的船头上方获得上升气流,只要船在走,飞行器的翅膀必然受到上升气流的带动,不断提升自己的位能,从而往前飞,足够满足飞行器对能量的需求。如果电池要充电,可以将飞行器的前头放一绳子,拴在船头,进行边飞行边充电,充的电可以备用。在陆地,山顶的气流具有动能,可以象风筝那样,牵一根绳固定,进行充电。在河或海,可以利用水的流动进行充电。&
其次,鸟类飞行的上下振动是直接将身体位能提高,而飞机则是通过斜面飞行逐步提升高度(位能)的,因此效率比它低很多。这是因为斜面总是存在阻力,能量损失不可避免,斜面越长,效率越低,能量损失越大。另外是更主要的:鸟类飞行速度较低,飞机速度很快,空气阻力与飞行速度成平方比,因此,鸟类飞行损失阻力能量远小于飞机。如,鸟类飞行速度每小时六十公里,飞机飞行速度每小时六百公里,在可比性下,二者能量损失相差一百倍。也可以这么说,鸟类飞行六千公里,飞机只能飞行六十公里,它们的燃料相当。鸟类可以用不多的燃料完成跨洲飞行,跨洋飞行,但飞机确实很难。所以二者合在一起,理论上燃料相差大于百倍。
第三,鸟类翅膀可以很薄,折叠的,可以用布或金属薄片做成,十分轻巧,自身重量不大。
这些都具备了远航而又能自主提供能源的基础。下面我们就可以放心的设想三栖飞行器的形状与参数了。
&如果需要探讨更多的内容,欢迎联系,我的联系邮箱是:
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----作者:鄢光明
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