飛機螺旋槳的推力/反推力--科技館展品展項方案

科學原理

飛機的螺旋槳在發動機的驅動下高速旋轉，從而產生拉力，將飛機向前拉。飛機的螺旋槳如何產生拉力呢？科技館展品制作生產源頭工廠-上海慣量自動化有限公司提示大家當螺旋槳葉片高速旋轉時，它同時產生兩個力，一個是將葉片向前拉的空氣動力，另一個是葉片扭轉角將空氣向后推所產生的反作用力。

表現形式

機械互動

操作說明

1、觀眾打開防護門進入展臺；

2、觀眾啟動腳踏結構，使螺旋槳旋轉，攪動空氣形成推力；

3、觀眾繼續騎行，在車上繞著中軸做圓周旋轉運動；

知識延伸

大多數通用航空或私人飛機均由內燃發動機提供動力，內燃發動機使螺旋槳旋轉以產生推力。科技館展品制作生產源頭工廠-上海慣量自動化有限公司提示大家螺旋槳如何產生推力的細節非常復雜，但是我們仍然可以使用此處介紹的簡化動量理論來學習一些基礎知識。

螺旋槳推進系統

在幻燈片上，我們在頂部顯示了螺旋槳推進系統的示意圖，在底部顯示了一些定義螺旋槳如何產生推力的方程。螺旋槳推進的細節非常復雜，因為螺旋槳就像是旋轉的機翼。螺旋槳通常有2至6個葉片。葉片通常又長又薄，垂直于長尺寸切開葉片會形成翼型形狀。由于刀片旋轉，因此尖端的移動速度比輪轂快。因此，為了使螺旋槳高效，通常會扭曲葉片。翼型在末端的迎角小于轂的迎角，因為翼的運動速度高于轂的速度。當然，這些變化使得分析通過螺旋槳的氣流非常困難。科技館展品制作生產源頭工廠-上海慣量自動化有限公司提示大家將細節留給空氣動力學專家，讓我們假設旋轉的螺旋槳就像圓盤一樣運轉，周圍的空氣穿過該圓盤（示意圖中的黃色橢圓形）。

以白色顯示的發動機使螺旋槳轉動并在氣流上起作用。因此，螺旋槳盤上的壓力會突然變化。 （數學家用希臘符號“ delta”（希臘字母Delta來表示變化）。在螺旋槳飛機上，壓力以“ delta p”（希臘字母Delta p）來改變。科技館展品制作生產源頭工廠-上海慣量自動化有限公司提示大家螺旋槳的作用就像旋轉的機翼。從理論上講，我們知道升力機翼上方的壓力低于機翼下方的壓力，旋轉的螺旋槳所產生的壓力要低于螺旋槳前方的自由流，而高于螺旋槳后方的自由流。圓盤上的壓力最終返回自由流狀態，但是在出口處，速度大于自由流，因為螺旋槳確實對氣流起作用，我們可以將伯努利方程應用于螺旋槳前面的空氣和空氣但是我們不能將伯努利方程式應用到螺旋槳盤上，因為發動機執行的功違反了用來推導該方程式的假設。

簡單動量理論

轉向數學，由螺旋槳盤產生的推力F等于壓力跳躍增量p乘以螺旋槳盤面積A：

F =Δp * A

單位檢查顯示：

力=（力/面積）*面積

我們可以使用伯努利方程將螺旋槳盤前后的壓力和速度關聯起來，但不能通過螺旋槳盤。螺旋槳盤前方的總壓力pt0等于靜壓力p0加上動壓力.5 * r * V0 ^ 2。

pt0 = p0 + .5 * r * V0 ^ 2

其中r是空氣密度，V0是飛機的速度。螺旋槳盤下游，

pte = p0 + .5 * r * Ve ^ 2

其中pte是下游總壓力，Ve是出口速度。在螺旋槳盤本身的壓力跳躍

增量p = pte-pt0

因此，在螺旋槳盤上，

增量p = 0.5 * r * [Ve ^ 2-V0 ^ 2]

將伯努利方程給出的值代入推力方程，我們得到

F = .5 * r * A * [Ve ^ 2-V0 ^ 2]

我們仍然必須確定出口速度的大小，基于動量方程的螺旋槳分析可提供該值。

科技館展品制作生產源頭工廠-上海慣量自動化有限公司提示大家請注意，該推力是一個理想的數值，不會考慮實際的高速螺旋槳中發生的許多損失，例如葉尖損失。損失必須由更詳細的螺旋槳理論來確定，這超出了這些頁面的范圍。復雜理論還提供了給定幾何形狀的壓力跳躍幅度。但是，簡單的動量理論可以很好地解決問題，并且可以用于初步設計。