飛碟與飛機

 

 

一、研究動機

探索「飛碟」(外星人在坐的飛机)與飛机机翼的關係,希望有朝一日地球人也能乘坐外星人的太空飛機,那麼就能輕易地太空旅行並且與外星人make friend

在我們五年級的自然上冊第六課【物體運動的快慢和方向】裡面,老師說到如果物體受力達成平衡時,物體將不運動或等速度運動。我向老師提出「天空之城」是否可能的疑問,老師告訴我們恐怕是有可能的事,說不定那一天人類也可以製造飛碟,但是動力恐怕不只是一粒飛行石,老師並且說明了飛機的受力與運動。我們很想嘗試因為飛行實在是太神奇了,於是老師就初步向我們介紹了一些知識,並且同意幫助我們。

仔細觀察了資料上飛碟的外形之後,我們全部同意它就是白努力原理的形狀也就是流線形之圓体,當然在此時空我們仍不敢斷言宇宙真有飛碟,倘若真有也未必如我們的假設。我們把焦點放在飛碟的流線形,是否一旦移動就具有爬升的能力(基於白努力原理),這正是我們要研究的重點。

滿懷希望的我們這一群,利用很輕的保麗龍材料塑造出飛碟的形狀,並且把它如同飛盤一般試射飛行之後所有人大失所望,並且一度想放棄研究,因為我們始終觀察不到白努力有任何驚人的表現。我們遇到瓶頸了,沈寂了一段時日,不過幸好老師的鼓舞使我們並沒有放棄理想,只是改變了研究方向,在經過很多試驗之後終於提出這個可以測白努力的裝置,後來我們稱它為「昇力測定器」,如圖。於是我們著手測量各流線形受到流速產生的升力。

 

 

 

二、研究目的

(一)流線形的昇力測定(白努力原理)

(二)攻角的昇力測定(反作用力原理)

(三)反作用力與白努力誰強?

(四)重返萊特兄弟飛机實驗

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

三、關鍵詞

1.      白努力原理

2.      反作用力原理(牛頓第三運動定律)

3.      飛机飛行學

4.      攻角

 

四、研究器材及設備

1.珍珠板  2.保力龍板  3.保力龍切割器  4.釘槍  5.熱熔膠  6.雙面膠  7.膠帶  8.快乾  9.鐵絲  10.塑膠片  11.塑膠板  12.小馬達  13.電線  14.電池  15.白紙  16.電池盒  17.剪刀  18.小刀  19.保力龍球  20.鼓風机  21.旋轉座  22.多用鉗  23.漏斗  24.軟管  25.桌球  26.天平  27.小磅秤  28.排風扇  29.數位相机  30.風力風向計  31.吸管  32.橡皮筋   33.吸管  34.泡棉  35.迴紋針  36.大頭針

                       

 

 

 

 

 

 

 

 

 

五、研究過程與方法

(一)流線形昇力測定(白努力原理)

    旋轉燭台引發我們的靈感並把它改造為「昇力測定器」。

原本欲採用旋轉速度作為測量方式,但後來發現電風扇的旋風情形嚴重以致於會干擾實驗結果而作罷,另一個原因是旋轉的測量方面我們缺乏像風力計的儀器,可代替的方法有使用計數器或拉動之繩長甚或如老師建議的利用擷取卡捕捉攝影,但這些都太難做或昂貴。

    後來我們想到利用彈簧來測量流線形机翼在旋轉燭台上的受力如下:

1.方法

1)利用紙張或投影片塑造出相同規格而不同弧度的流線形机翼並固定在旋轉燭台之木葉片,每一翼之平面規格皆為:10.5公分×7.5公分(約為一張A4紙的八分之一大小)。

2)弧度不容易表示,所以將弧長表示出來如表一。

3)原本設想很久的上風源(使用吊扇或排風扇)及燭台墊高防干擾之設計卻由於風扇本身的旋風情形太嚴重(見圖一)以致於干擾了原定實驗之進行,另外風扇產生的風力也過小,於是改設計為使用強力吹風机作為風源。

圖一

4)彈簧秤無法在此發揮功能,因為氣流對机翼產生的力不大,經過一番找尋之後終於找到軟簧加以替代,且以伸長量作為相對應的力量。

5)裝置(如圖二)

圖二

2.結果

見表一

      

3.分析

1)強力的氣流的確對機翼有吸引的作用力,並且作用在弧形的那一面吸力比平坦面明顯較強所以使彈簧伸長。

2)弧長8代表的是10.5公分×7.5公分的投影片上覆上了10.5公分×8公分大小的紙,並生了相當的弧度,於是就以弧長8來代表弧度,其餘類推,最多達11.5(以公分為單位)。

3)弧度大則所受作用力大,但卻不是沒有限度的,由表一可見在弧長10.5的時候有最大的受力(以最大流速也就是風源1公分而言)。不過,在流速低也就是風源較遠的時候,最大受力點是弧長更長者。

4)流速大時,彈簧伸長的曲線高峰更明顯。

5)弧長8.5時,不同流速產生的作用力就已有了相當大的差距。

 

 

(二)、攻角的昇力測定(反作用力原理)                                            

    攻角是前進的翼面與相迎的氣流所夾的角度,較早期的書譯為迎角,產生攻角的情況有主翼本身做成有角度或弧度或在後方做了襟翼、另可利用水平尾翼使机頭仰起則此時机身與氣流的夾角便是攻角了。

有關飛机飛行原理所有資料記載指向白努力原理,但是怎麼會呢?攻角是如此的重要而卻未被正視,難道它所提供的反作用力(就像風車、風箏或螺旋槳)比起白努力原理微不足道嗎?抑或是現代的飛機已不再需要攻角?還是大家忘記了它的貢獻有多大?

    操作如實驗一的昇力測定,但這一次改為完全沒有弧度的平面機翼,並且規格也是10.5公分×7.5公分以便與實驗一作比較,就稱之為反作用力昇力測定。

 

1•方法

1)承襲實驗一的相關步驟。

2)機翼(也就是旋轉台的葉片)固定為平板而沒有弧度,只改變與氣流的夾角(模仿攻角)

 

2•結果

見表二

 

3•分析

1)與白努力昇力測定有所不同,特別是作用力的最高時候都在角度45度的狀況,不論流速大或小皆如此(見表二之曲線高峰),這一個結果顯示出反作用力的一致性範圍較大。

2)實際上所見過的機翼弧度以比例而言很少發現如表一的最高點情形,通常不會超過弧度8.5的比例,但是飛機的爬升攻角卻能輕易做到45度(新型戰鬥机如蘇凱戰机更能輕而易舉爬升成90度),換句話說,我們若以實驗中的机翼規格來作白努力昇力及反作用力昇力的比較會驚訝地發現反作用力比白努力大多了(以風源1的狀況而言,弧度8.5受的白努力是19.1,而角度45度受到的反作用力是39.6,反作用力近乎白努力作用為的兩倍大!)所以反作用力對飛機的爬昇非常有效。但是我們考慮到當飛机已在高空並以高速飛行時,攻角恐怕會招致飛机大幅度變化或不穩,不可否認的是依表二的作用力變化趨勢來看,超高速的氣流必定產生大得難以想像的作用力以及阻力,此時該是偏勞白努力的時候了。

 

 

5)我們開始懷疑書上所記載的「飛机的昇力來自白努力原理」這件事實。事實上以現今的渦輪引擎推進力來看便足夠將一架戰机以接近垂直地面的角度昇空,此時白努力原理似乎形同不存在,換個角度看更可把它當作一架有翅膀的飛彈,以推進力的反作用力使之前進。

    我們訪問了多位老師、家長、空軍飛行學校教官並且上網發問,收集得到的結果真是眾說紛云,但大部分的竟見投給白努力原理,有些在討論之後也會倒向反作用力,有些仍堅守白努力,也有工程師極贊成反作用力。

如果問萊特兄弟對飛機飛行的原理有何看法呢?我們查閱了萊特兄弟的科學史後並未在其中發現白努力,同樣地也並未發現牛頓第三運動定律。但是我們發現萊特兄弟在創造發明飛机之初所使用的機翼是平板並且對於机身比例來說似乎太大了,大到好像人在三角形的飛行傘之中,又像人抓著大風箏飛在空中一般。末期他們才意外地發現弧形机翼可增加一些昇力。

 

為了便於比較,我們挑出表一的風源15的結果與表二的風源15的結果同表並作折線圖,稱之為表二之一(見表二之一)

 

(三)、反作用力與白努力誰強?

     飛行器各式各樣,最平常的形狀就屬飛机了,飛机會在地上滑行一段距離並達到所需的速度纔能升空離地,從資料分析之後我們發現飛机在空中的受力主要是飛机的推進力迎向流動的空氣平衡了机身的重力,風作用在机翼上產生了升力,而升力的道理我們認為有二,有反作用力及白努力原理。

     以輕航機而言就偏重在反作用力,因為輕航机其實是飛行傘下加掛了一部螺旋動力車,雖然表一及表二的數字結果足以支持反作用力大於白努力作用力,我們還是想實際做一下比較,實驗如下﹕

     誏白努力與反作用力互爭高下是什麼情形呢?我們嘗試使用大型机翼(長與寬都加倍)以吸管使其可以在水平的風流中旋轉以做白努力及反作用力的實際比較,並用大電扇及遠距離以防旋風,步驟如下:

1•方法

1)取出旋轉台的主軸並將之套上吸管。

2)在主軸的孔洞插上對稱的二葉,但其中一葉為角度變化而另一葉為弧度變化,並使其裝置成相向的作用力方向。

3)固定在工業電扇(極速運轉)前2公尺處並固定高度對準電扇中心。

2•結果

見表三

弧度1 夾角2

10

20

30

40

45

50

60

16

2

2

2

2

2

2

2

17

2

2

2

2

2

2

2

18

2

2

2

2

2

2

2

19

2

2

2

2

2

2

2

20

1

2

2

2

2

2

2

21

1

2

2

2

2

2

2

22

1

1

1

2

2

2

2

23

1

1

1

2

2

2

2

      表三

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

3•分析

1)這真是意外的發現,實際情況相較的實驗結果對於白努力的支持度非常低(表格中的2代表反作用力獲勝而向該方向旋轉,而1代表白努力原理的作用力勝過反作用力),如果把表三視為一場選舉,那麼我們可以說「2」以壓倒性的優勢贏了。

2)如果要套用先前的數据來解釋這場競賽的話,我們把原因歸向氣流的低流速,另外也可能在缺乏風洞的良好設備下使氣流散開了,失去原有的密度、進而影響了壓力或白努力作用,但阻力所受的影響卻比較小。不過我們缺乏精測流速的風力風向計設備,於是便沒有對流速加以定量。

3)為了一探究竟,我們更將二個葉片都裝上有同為有弧形的机翼(弧度1920),把它置於同一位置卻發現並未順利旋轉或甚至逆白努力原理的方向轉。

 

 

(四)、重返萊特兄弟飛机實驗

     以自製的「昇力測定器」所實驗得的數据恐怕還未能切合飛机實飛的情形,另外以風扇所產生的風流多少帶有旋風,只要讓小飛机在風扇前招風便可感受到,即使粗糙的圍起圓筒風洞也不能消除。

     我們自製非白努力原理即非流線形机翼的飛机以及無尾翼的飛机,我們把重心設定在從零開始也就是再走一次萊特兄弟所走過的飛机發明史,依著他們先嘗試平翼飛机的初期做起,我們花了很多時間也費了許多心力嘗試了各式各樣的飛机,有軟的材料也有硬的材料,有小飛机也有中飛机也有大飛机,更嘗試自製線控飛机並企圖做更進一步的數据結果,不幸的是它卻飛不起來,那麼如果我們想得到實飛的真實數据記錄恐怕只能以定力射出的方法來進行了,但這又與起飛或昇高的狀態相去甚遠。

圖三


 

 


    在掙扎之後,老師說還是弄台搖控飛机來獲取更進一步的數据,這是很貴的實驗,但是老師說比起萊特兄弟的時代,我們幸運多了,因為現今有搖控飛机可以試驗,這麼一來人就不用坐在實机上冒險做飛行實驗了而且人類飛行的經驗已非常成熟。

1•方法

1)購買搖控飛机(配備有精緻的輪子、推進力強大到足以支撐机重的馬達、分段式控制搖控器、可調校的油門及尾翼左右方向控制舵)。

2)我們並不打算使用原廠的主翼,因為它具有弧度,於是我們使用珍珠板裁成各种規格(這是沒有弧度的平面板),把平面的珍珠板固定在机身並配合机身的重心形成固定的攻角(珍珠板與机身有傾斜的角度而不是平行的)

3)我們的做法是每一次固定不同的動力亦即相當於滑行的速度(因為我們的飛机並未配備拉昇動作的尾翼控制功能也因為經濟不允許),觀察並測量飛机是否離地(昇空)以及所經歷的時間(對於不會昇空的情形,我們最多施予動力10秒)。

4)配合机身後有螺旋的構造,我們最多只能把机翼的前後距離也就是寬固定在14公分,改變翼的長度(單位也是公分)如表。

圖四


 


2•結果

見表四

 

 

動力    翼長

10

20

30

40

50

60

70

0.25

10.0

10.0

10.0

10.0

10.0

10.0

10.0

0.5

10.0

10.0

10.0

10.0

10.0

10.0

10.0

0.75

10.0

10.0

10.0

10.0

10.0

10.0

9.3

1

10.0

10.0

10.0

10.0

8.7

3.1

2.8

表四

 

 

 

 

 

 

 

 

3•分析

1)只操縱攻角變因而其他變因如弧度等在此都固定不變,應變的變因則是昇空與否以及所需時間。而動力的表示則以全動力為1的分數加以表示,並事先以伸縮帶或橡皮筋測出其0.250.50.751所在處並在搖控器上做好標示。數据的單位為秒。

2)動力的增加所造成的結果比翼長的增加更有效改進昇力,動力還必需考慮風向與風力,順風可使動力增加,逆風則使動力減小,然而在此實驗卻一定得逆風進行,因為順風對昇空不利。

3)長度70與長度60的表現未見明顯增進,我們推測是珍珠板材料質軟對本實驗造成一定程度的困擾。

4)實驗的結果明顯的說明一件事實:

!!!「沒有弧度的平板机翼也能使飛机升空」!!!

    我們寧願說:如果沒有應用白努力原理(這裡指的是未對机翼進行任何白努力或流線形的設計及加工),飛机仍然可以昇空(如實驗結果),並不表示我們反對白努力或流線形對飛机的貢獻(例如高速飛行時需要平穩的昇力恐怕還是得靠流線形來提供,雖然滑翔翼或更長的机翼也能提供更平穩的昇力,卻相當不利於側風或高速飛行。)。

 

 

 

六、討論與結論:

(一)建議在提及飛机飛行原理之相關發表或著作時能加入反作用力的重要性,我們認為大部分的書僅提及白努力原理而未提到反作用力是不公平的,因為此二者(指反作用力原理及白努力原理)如同飛机飛行之父母,如果白努力是父親,那麼反作用力則是母親,飛机的昇力主要非來自白努力原理,而是因為机翼與水平夾角遭受到的阻力,進而有了向上的反作用力(我們認為它有些類似風箏的原理),可以說主要是反作用力將飛机抬離地面並飛入空中作更進一步的高速飛行。

建議

(二)以實驗四的結果來看,就算沒有任何白努力效應發生,飛机依然可以靠反作用力昇空。如果反過來假設,也就是不讓飛机有任何攻角的情形下,完全使用上弧下平的机翼並且必需使机翼保持水平,那麼結果會如何呢?

    我們預測飛机依然可以昇空,不過必需付出更高的代价比如跑道恐怕要原本的十倍長。事實上後來我們已在文獻上查到一項長程噴射客机的相關知識,文獻指出客机必需達到時速900km/hr以上才能完全由机翼的白努力作用支撐整個客机之重量,天啊,地上的跑道該做成多長才好呢?

(三)實驗後的搖控飛机已撞得多處損壞,換句話說,它已壯烈成仁而成就了這項實驗的收穫。

(四)到此刻,我們似乎都成長了許多,我們已經知道飛机如何能飛上天並實際体驗了,我們知道雖然空氣對飛行器有阻力,但卻也是助力,因為沒有空氣阻力所化成的向上反作用力則飛机難以飛行,這就像汽車在摩擦力極小的溜冰埸難以有效持續前進一般。

(五)在每一次實驗之前其實都經歷了許多構想、試誤、失敗以及尋求更新,實驗結果只是最後也就是最新的一項。此其中的挫敗及經驗都是珍貴的。其中不乏許多精采的翻机及撞机場面,更有摔机的可怕畫面。

(六)我們更嘗試做飛机(滑翔机)與風箏的相似性並且也獲得初步的成功,只是時間已不夠誏我們進一步獲取數据或結果資料。

 

 

 

 

 

(七)飛碟如何在空中定點不動,也就是達成昇力與重力平衡,除非它無重力甚或將萬有引力轉換為旋轉之力,並且它既不具蜻蜓之翅膀也沒有直升机的螺旋,螺旋在氣流中的阻力太大並且推進力有限並不適於高速的飛行器,它利用了地球的磁場嗎,或許白努力原理可以辦到。

    假設一,飛碟像帽子或斗笠的外形,上部凸出,下部略平,假設上部以極高速旋轉而下部靜止不轉,則依据白努力原理推算出上部壓力減小,下上之壓力差足以提供昇力抵消重力,但前題是上下部之間必須沒有空氣流入或是僅容許極少量流入或是自內部主動向外噴出相消之氣流,這一部分我們無法實驗,或許奈米科技可以進行這項實驗。

    假設二,若是以強大推進力裝在飛碟之中使它向下噴出強氣流而上部幾近真空也足以使它在空中定點,這部分也暫時無法進行,因為我們沒有超強推進的机具例如渦輪引擎。

    或許在將來的某個成熟時机,我們會繼續此實驗。

(八)我們把重點稍整理一下而得使飛行器升空的可行方式如下

      1.主翼配合尾翼使机身產攻角

      2.非水平主翼配合重心

      3.弧形主翼配合重心比2.更有效

      4.使用襟翼

      5.使用白努力原理載重有限,速度有條件

      6.完全靠推力使飛行器昇空如爬升中的戰机又如太空梭

 

 

七、參考資料

(一)籐丸卓哉(1999),物理的快樂讀本,益智工房,pp.92-116

(二)黃雨順(1993),飛机飛行學,金華,pp.13-139

(三)李石頓(1991),現代科技--飛行器,鹿橋pp.8-21

(四)張桐生(1985),高速飛机,商務,pp.6-16

(五)徐氏(1991),噴射机和火箭,徐氏,pp.22-25

(六)丁錫鏞(1984),科學家列伝,牛頓,pp.82-87

(七)劉鐵虎(1985),飛机總論,銀禾,pp.0-82

(八)鍾光宏譯(1984),航空器,幼獅,pp.0-97

(九)高源清發行(1993),牛頓科學研習百科物理,牛頓,pp.42-45

(十)陳蘇(1980),模型飛机,文笙,pp.8-40

(十一)呂獻海(2002),高科技十萬個為什麼現代交通,稻田,pp.130-152

(十二)David Miller,巨無霸客机駕駛,頂尖人物,pp.0-22

(十三)洪振義,直昇机概論,台灣書店,pp.80-96

(十四)江晃榮,UFO,宇河,pp.0-11

(十五)丁錫鏞,航空及太空,正中,pp.20-36

(十六)福利文化發行(1988),世界超級噴射戰鬥机,福利文化,p.17.24.36.28

(十七)孟慶全(2002),世界軍武發展史飛机篇下,世潮,p.40

(十八)劉文孝(2000),高空間諜,中國之翼,p.141