伯努利方程

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伯努利方程公式

当我们谈到飞机的速度时,有两个重要的概念是要分清的:地速和空速。

所谓地速,就是飞机相对地面的速度。如果我们知道起点和终点的距离,也知道飞机的空速,那么我们就能大概清楚这趟旅途所花费的时间。飞机的地速可以根据地面的无线电台或者GPS得出。

飞机的空速就是飞机相对空气的速度,它是飞机升力的一个重要参数。一般来说,飞机的空速并不等于地速。举一个例子,当台风来袭时,停在机场的飞机可能会因为强风而飞起来,此时飞机的空速非常大,但飞机的地速为零。当空气的速度为零时,飞机的空速才会等于地速。

那么飞机的空速如何测量?我们经常可以在飞机机头处看到一根向前伸出的管子,事实上这是一种测量空气总压的设备,它被称为空速管,也被称为皮托管。在机头侧面,我们还可以看到一些测量空气静压的设备。有了总压和静压,我们就可以根据公式算出飞机的升力。

那么,我们应该选择哪个公式?在许多科普当中,伯努利方程似乎是一个很好的选择。伯努利方程指出,总压=静压+动压,于是我们可以得到方程:

求解上述公式,我们就可以得到飞机的速度V的公式:

但这真的是正确的吗?伯努利方程描述的是流体沿着一条稳定、非黏性、不可压缩的流线移动的行为,它在水的应用方面是非常广泛的,因为在很多情况下,水被认为是不可压缩的。但是,在空气中利用伯努利方程,我们就要非常小心了,因为当速度超过0.3马赫的时候,我们就认为空气是可压缩的,此时伯努利方程已经不再适用。

不管是民航客机还是战斗机,它们的空速都远远超过0.3马赫,因此我们不能使用伯努利方程去计算飞机的空速。翻看了一些空气动力学教材,我找到了这个普适的公式:

式中M为马赫数,在空气中γ取1.4。我们已经测得总压和静压,就可以利用这个公式得到飞机的马赫数,然后就可以根据温度、压强等参数得到当地声速,最后得出飞机的空速。

伯努利原理

伯努利原理(又称伯努利定律)是流体力学中的一个定律,由瑞士流体物理学家丹尼尔·伯努利于1726年提出。

它是水力学所采用的基本原理,即:动能+重力势能+压力势能=常数。其最著名的推论为:等高流动时,流速大,压力就小。它仅适用于粘度可以忽略、不可被压缩的理想流体。这是一条普遍性的原理,它不仅对于流动的水是适用的,而且对于流动的其他液体甚至气体也适用。