纸飞机的飞行

纸飞机的飞行

玩纸飞机的过程包括着许多有趣的现象，如在扔飞机前哈一口气，纸飞机在空中的飞行，都包括着许多物理原理。本论文就关于纸飞机飞前的哈气，和哈完气后的飞行问题进行了阐述。

一.引言

纸飞机虽小，但其中包含着的物理知识不可小觑，了解了纸飞机的飞行，是在飞机以及飞行器领域研究的基础。就纸飞机哈气这个问题，西南大学物理科学与技术学院老师袁宏宽认为，纸飞机起飞前先哈一口气，和空气动力学有关。先哈一口气，湿润后的飞机头稍重一些，能够使机身整体保持平衡，这样飞机才能在空中飞行较长时间。此外，机头稍重能起到带动作用，如果机身后部质量过重，纸飞机在飞行过程中则容易后翻。宁波效实中学的物理老师杨继林认为，“哈气对纸飞机的飞行距离是有影响的。哈气后，纸飞机前端温度上升，是飞行距离增加的重要原因，但是对于飞行的高度没什么影响。宁波市模型无线电运动协会秘书长朱波也认为，哈气后，纸飞机头部的重量会有所增加，纸飞机的重心会随之前移，这样抛出去可以有效增加10%到15%的飞行距离。而飞行过程中也有很多人对其作了研究。

二.纸飞机的魅力

在孩童时代，放纸飞机是我们永远也抹不去的记忆,许多人的童年里肯定少不了纸飞机的身影，特别是男孩。放学玩耍常聚集在一起，扔出纸飞机前先对这飞机使劲地哈一口气，仿佛在给它充上力量，从心理上暗示自己并为自己加油鼓劲，希望自己的飞机能比同伴的飞机飞得更高更远，向空中用力一抛，便见它不停地飞旋着，那美丽的身影在空中翱翔着，划出一道优美的弧线，纸飞机真的有如此大的魅力。它吸引着我们去研究。

三.纸飞机到底如何飞起来

首先介绍一个在流体力学中有一个很著名的原理——伯努利定律：

其中ρ：流体的密度 v：流体的速度 g：重力加速度，h：高度（规定参考系下） p：流体所受压力 constant：常数

叠得好的纸飞机在飞行时机翼上表面速度大于下表面速度，由上面的公式可以看出，因而上表面压力要小于下表面，翼面压差产生向上的升力，继而做滑行运动，这就是纸飞机的飞行原理，更深研究还涉及到流体力学与空气动力学的基础理论以及低速空气动力学。【1】

纸飞机飞行距离的远近取决于飞机的稳定度。沿着机翼的配重使重心更向前，飞机也就更平稳。而向纸飞机哈气具备相同原理。当纸飞机的重心落在它几何中心点前面的时候，飞机就能稳定，若落在几何中心点后面，机身就会不稳定。而一个三角翼的纸飞机几何中心点约落在机身的二分之一处，四角翼的纸飞机几何中心点落在机身前方四分之一处。因此若要使纸飞机稳定，必须将纸飞机的重量

往前堆积，或是像大家一样，在纸飞机扔出以前，在机头哈气增加机头重量，使纸飞机的重心前移。

实验表明哈气仅会增加纸飞机0.067%的重量，却有效增加10.32 %的飞行距离，但是对于飞行高度与飞行稳定度，皆无显着影响。简单来说,纸飞机的飞翔是利用重力与升力的两种力量交互作用形成的.纸飞机本身的重量会牵引机身向下掉落,机翼则会抓住空气,让纸飞机在空气中漂浮.一上一下的两股力量,再加上投掷者帮助纸飞机向前滑行的动力，产生惯性运动而顺势滑出,三股力量的平衡,就能飞出优美姿态.我们可以联想到纽约大学的研究人员LeifRistroph根据水母在水中前进的特点研制出具有四个“翅膀”的飞行器，其运动机制如同水母游动，只不过水母划动的是水，微型飞行机器人划动的是空气，飞行器将自身下方的空气压缩然后“喷”出，这样就可以让飞行器在空中运动了。从外观上看，微型飞行机器人像一把伞，符合空气动力学的原理。【2】

然而真正的飞机受到重力,升力,推力,阻力四种力量的影响,纸飞机的飞行原理和飞机的飞行原理很相似。然而对于飞机而言，升力还受很多其他因素的影响，比如机翼弯度，机翼面积，迎角等等，还涉及低速翼型和低速机翼的空气动力特性。【3】远比纸飞机要复杂得多。纸飞机属于无动力滑行飞行方式，在给与初始动力之后，纸飞机向前具有速度，翼面切割空气，产生压差，维持飞行。一般纸飞机叠的好的话，翼面压差可以产生向上的升力，纸飞机可以滑行较长时间，叠的差的话，上翼面压力大于下翼面，直接就掉地上了

这在飞机上有着极大的应用，比如说通过计算前飞状态的旋翼，机身干扰下的非定常压力分布，并与可得到的实验值、CFD 计算结果对比，验证方法的准确性。随后分析前飞速度、旋翼与机身距离对旋翼，机身非定气动干扰的影响。计算结果表明机身头部和中部非定常压力主要受桨叶的通过性影响，而机身尾梁主要受尾迹，机身干扰影响，机身非定常气动力频率为桨叶片数的倍频。随前飞速度的增加，机身非定常压力幅值增加，尾梁压力幅值先增加后减小；增加旋翼与机身距离将减小机身和尾梁非定常压力幅值。【4】

纸飞机飞行的动力来自于出手时的动能，在投出后，若是飞机的高度保持不变，而空气阻力又会逐渐减缓飞机的速度，此时纸飞机便会用牺牲重力势能的方式换取继续向前运动的动能，因此我们看到了一条滑翔轨迹。此外，由三角翼的升力原理，由于掷出飞机一定的攻角，机翼上会产生环量，在环量的作用使得机翼下表面的流体的速度低于上表面的流体的速度，机翼下表面的压力高于上表面的压力，同时下表面的高压的气流会溢出到上表面，在下表面的流体运动到上表面时形成涡流对机翼上表面的流体有一个加速作用,这和鸟类飞行很相似，通过对飞行器、飞机的飞行奥秘探究，体现生物学科与历史学科和物理学科的学科渗透思想。【5】

并且，在纸飞机的上翼面会产生真空区，真空区的气流产生下洗气流，向下的气流反作用力，使飞机获得反方向的作用力，将飞机拉上去的。以前的原理认为是流速差原理，但是同一个机翼上翼面前部分产生的是向下的力量，而后一部分才产生向上的力量。因此纸飞机能保持飞行一段时间。

四.结论

纸飞机飞行过程中，哈气增加了机头的重量，使重心落在飞机几何中心点前面，因此飞机能稳定飞行，飞机在飞行时利用了空气动力学的原理。

参考文献

【1】《空气动力学》钱翼稷北京航天航空大学出版社 2004-9-1 绪论 0.1 空气动力学的研究对象、范围及其分类

【2】微型飞行机器，似水母流动《机械工程师》 2013年第12期 I0007-I0007页,共1页

【3】《空气动力学》陆志良北京航空航天大学出版社 2009-8-1

【4】《空气动力学学报》2014年第32卷第3期 320-327页

【5】鸟适于飞行的特点《生物学通报》月刊中国科协2012年第六期