主题:【原创】青春痘与刘翔夺冠以及国防建设 -- 老叶
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家园 【原创】我对飞机机翼在飞行时的受力情况分析及青春痘对刘翔跑步的作用的看法

首先谈谈对飞机飞行时候机翼受力的情况分析。然后,将类比机翼与青春痘,讲讲为什么我认为青春痘对跨栏运动员弊多利少。

首先,飞机的动力是由发动机提供的,螺旋桨或者喷气提供足够的动力加速飞机机体,使得飞机达到高速。飞机的机翼设计成上表面比较凸出,下表面比较平,这样当有一定的倾角的时候,气流通过上表面的速度会远远大于通过下表面的速度。在流体力学中处理飞机低速飞行问题时候,空气被简单认为是连续不可压流体[1],因此应用流体力学中的伯努利定理可知流体在一个管道中流动时,流速大的地方压力小,流速小的地方压力大。于是飞机空气流到机翼前缘,分成上、下两股气流,分别沿机翼上表面和下表面流过最后汇合,而在上表面流速加快,压力降低;在机翼下表面,流速减慢,压力增大。于是机翼上、下表面出现了压力差,产生了升力。飞机借助机翼上获得的升力克服自身因地球引力形成的重力,从而翱翔在蓝天上了。

但我们同时应该注意到,空气的物理特性之一就是粘性。当空气流过飞机表面时,由于粘性,空气同飞机表面发生摩擦,产生一个阻止飞机前进的力。摩擦阻力的大小,决定于空气的粘性,飞机的表面状况,以及同空气相接触的飞机表面积。空气粘性越大、飞机表面越粗糙、飞机表面积越大,摩擦阻力就越大;机翼在飞行过程中,前后压力并不同,前面的压力要大于后面的压力,因此也会产生阻力;升力产生的同时也将对飞机附加了一种阻力,这种因产生升力而诱导出来的阻力称为诱导阻力,是飞机为产生升力而付出的一种“代价”;另外,气流还会在各种飞机部件之间相互干扰形成涡流而产生的一种额外阻力。

总的说来,飞机的机翼提供飞机升力的同时,额外施加了阻力(相对飞机运动来说是向后的力),不管机翼如何设计,都不可能同时提供给飞机升力与推力(相对飞机运动来说是向前的力)。升力与阻力之间的trade off在飞机设计与控制中,一直最为关键的力学问题。以上是我对飞行中机翼的简单受力分析。

下面我再从力学的角度简要分析一下青春痘对跨栏运动员的影响。

一个好的青春痘固然能够给运动员提供一定的升力,但最为重要的是空气的摩擦阻力是与物体表面光滑程度及表面积成正比关系的,青春痘的存在会极大的增加运动员所受的摩擦阻力,这样无疑会降低运动员的速度。

同时,跨栏运动员在奔跑的时候,更多的时候保持高重心下的高速度,这种高重心的保持是靠对步幅的控制,并不是靠升力。因为运动员快速奔跑时候需要足够的蹬力(为运动员奔跑提供动力),具体说来,后蹬力是利用脚掌与地之间的摩擦力来提供向前的动力,大家都知道,摩擦力是与接触面的正压力成正比的,因此明显升力会一定程度上减小这个正应力,进而减小运动员的脚掌后蹬力。这与飞机又是不同的,毕竟飞机飞起来后的动力不是靠摩擦力。而正是这一点不同导致,在远动员奔跑过程中,升力根本就是一种有害的力!

此外,跨栏运动中,稳定的奔跑频率十分重要,基本上平均每三步跨栏才需要一次“升力”。所以青春痘大部分时间的作用仅仅是导致了摩擦阻力,同时降低了后蹬力。

两相比较,我认为即便非常"完美"的青春痘对运动员提供一定的升力也无法抵消它给运动员带来的阻力及对运动员动力带来的消极影响。所以我认为青春痘对刘翔跑步弊多利少。

我相信,刘翔随着年龄的增加,青春痘会逐渐消失,于是更加光滑的脸将有助于刘翔取得更优异的成绩!

[注1] 一般情况下,气体是可压的,不可当作不可压气体处理。但是,如果我们研究的问题中,流场中各点的密度差引起的压力差所造成的,而速度不大的条件下,则相应的密度差也不会大。比如说,低速飞行的飞机(起飞过程中),它周围的大气密度差小于2%,这时就讨论由于飞机飞行引起的流场变化而言,可以认为大气是不可压缩流体。

严格说来,真实流体是可压缩的。不可压缩流体是对于流场中密度变化小的真实流体的一种近似抽象模型。

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