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用途不同,電風扇要的就是風,飛機螺旋槳要的是拉力,要拉著飛機飛行。要講清楚這個問題我們可以從飛機的機翼來做一個解剖,飛機的機翼上下面是不一樣的,下面的翼面是類似平面的,這樣一來空氣氣流通過時速度就慢,也可以說是正常的流速。上翼面是凸起的,也就是有一個曲率,這樣空氣氣流通過時氣流發(fā)散,流速快?諝饨(jīng)過機翼被分成上下兩股氣流,下氣流流速慢,壓強大,上氣流發(fā)散,流失快壓強小,力都是作用力與反作用力共同存在的,這樣下翼面的力就會向上翼面轉(zhuǎn)移,這就是升力。

那么和螺旋槳有什么關(guān)系呢?因為螺旋槳的葉片就是一個轉(zhuǎn)動的機翼。例如,美國的魚鷹運輸機就是一個很好的例子。


螺旋槳葉的剖面形狀與機翼的剖面形狀很相似,前面的翼面曲率大,背面翼面平,并且每支槳葉的前緣與發(fā)動機輸出軸旋轉(zhuǎn)方向一致,相當于機翼被空氣氣流吹過,螺旋槳葉片有一個扭角,這個扭角(槳葉角)相當于飛機機翼的迎角,所以,螺旋槳飛機并非是依靠螺旋槳吹動空氣推著飛機走,而是拉著飛機走,當然,螺旋槳葉片也會產(chǎn)生向后吹動的空氣,這個空氣氣流理論上可以具有推動飛機飛行的力,實則并不強,因為空氣經(jīng)過螺旋槳葉片后,受到槳葉角的作用會發(fā)散,這個吹力不足以帶動飛機飛行。
電風扇不需要拉力,而是需要吹力,如果把電風扇的葉片做成螺旋槳飛機的葉片形狀,電風扇會跑掉的,也會使風量減少。電風扇葉片不用考慮葉片兩面形狀不一樣,只需要解決葉片扭角就可以,這樣風量大。所以,電風扇葉片制作比較簡單,不需要兩面結(jié)構(gòu)不同,用一片鐵片,或者是塑料片就可以了。螺旋槳飛機的螺旋槳則不可以,必須要前后葉面結(jié)構(gòu)不同,一面近乎平面,前面有曲率。

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看看風扇扇葉的形狀,都是相對旋轉(zhuǎn)平面扭曲一定的角度弧形,通電后,從扇葉向前扭曲的一側(cè)向扇葉向后扭曲的一側(cè)轉(zhuǎn)動,對前面的空氣施加向前的推力,使之向前流動形成風。同時,空氣對扇葉施加向后的推力,如果不是風扇質(zhì)量較大,且底座受到阻力,就會被推得后退。

試想,將風扇的扇葉反過來安裝,并且,電動機反向轉(zhuǎn)動,扇葉就會將空氣向后推出,同時,空氣對扇葉施加向前的推力,扇葉對電動機就產(chǎn)生向前的拉力。

與此類似,飛機的螺旋槳也通過傾斜的槳葉產(chǎn)生拉力。同時,當螺旋槳旋轉(zhuǎn)時,槳葉將空氣劃開,以槳葉為參照物,空氣分別從槳葉的兩面流過。由于槳葉的一面(前面)凸起一面(后面)是平的,相同時間內(nèi),空氣流過前面的路程大于后面,因此,流過前面的空氣流速大于后面。根據(jù)伯努利原理,流體在流速大的地方壓強小,流速小的地方壓強大。這樣,空氣對槳葉的前后兩面存在壓強差,這個壓強差對槳葉產(chǎn)生向前的壓力差,對飛機就表現(xiàn)為向前的拉力。

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其實飛機螺旋槳和電扇的工作原理是一樣的,都是讓人涼快的,不然螺旋槳飛機在空中時突然螺旋槳停了,你看他出汗不。

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兩者在本質(zhì)上是完全一樣的,但是呢題主描述的時候,一個說成是力,一個說成是風。所以,這里面必須要說清楚,力是怎么來的?風又是如何形成的?實際上,葉片的旋轉(zhuǎn),與空氣發(fā)生相互作用,兩者之間的作用力就是螺旋槳的力,空氣被螺旋槳推開,就形成了風。


1、螺旋槳與電風扇——葉片的形狀

沒見過螺旋槳,肯定見過電風扇,再不濟小時候玩過的風車肯定見過。當然,嚴格來講,風車跟前兩者存在著很大的區(qū)別(主動和被動)。不過,其葉片形狀比較類似。單個葉片都是不規(guī)則形狀,成扭曲狀。



2、扭曲的葉片——與空氣的相互作用

我們生活的空間,到處都充滿了空氣,雖然我們看不見、摸不著,但是空氣真實存在著。螺旋槳,或者電風扇,它們的葉片在旋轉(zhuǎn)過程中,也空氣無時無刻發(fā)生著相互的作用。就像我們的手,快速掄起來的時候,是可以感知到空氣的存在,這個感知其實就是憑借空氣對我們手臂的作用。


由于扭曲的葉片,在旋轉(zhuǎn)的時候,在它的旋轉(zhuǎn)的圓周方向上,與空氣存在著接觸。旋轉(zhuǎn)的葉片會推擠這部分空氣,把這部分空氣往前推,如下圖藍色箭頭。由于空氣是流體,葉片附近的空氣被葉片往前推開后,后方的空氣就會補充進來,如下圖紅色箭頭。于是,就會源源不斷地將空氣往右推送,形成了風。在這個過程中,葉片推擠空氣,空氣能夠往前運動,根據(jù)牛頓定理,必然存在著力的作用。

至此,應(yīng)該已經(jīng)回答完題主的問題了。但是,我們會發(fā)現(xiàn)一個奇怪的問題,為什么螺旋槳的葉片和電風扇的葉片,形狀差距這么大?


3、葉片的設(shè)計

葉片的具體結(jié)構(gòu)跟需求有關(guān)。對于電風扇,只需要合適的風量就可以了,它的轉(zhuǎn)速較小,葉片結(jié)構(gòu)受力也較小,于是那種塑料材質(zhì)的形狀圓圓的就可以滿足使用要求了。但是,對于螺旋槳來說,轉(zhuǎn)速較大,其葉片必須經(jīng)過嚴格的計算分析,既要滿足使用要求,達到其相應(yīng)的功能,也要保證葉片自身結(jié)構(gòu)的強度和剛度。


實際上,這個分析還是比較復(fù)雜的,它不像普通的結(jié)構(gòu)與空氣無關(guān)。葉片結(jié)構(gòu)與空氣密切相關(guān),這就涉及到了固體和流體兩種形態(tài)。單個分析的時候,應(yīng)該說是比較容易地。但是固體和流體在一起,分析的時候就復(fù)雜一些了。所以,能夠生產(chǎn)螺旋槳的企業(yè),一定是有自己技術(shù)儲備的,并不是隨便一個人就能分析成功的(山寨排除在外)。



4、總結(jié)

無論是螺旋槳,還是電風扇,在旋轉(zhuǎn)的過程中,葉片會與空氣發(fā)生相互作用,產(chǎn)生作用力,這個力推擠空氣,形成風。

葉片的具體形狀與使用需求(設(shè)計指標)有關(guān),需要經(jīng)過嚴格的計算分析,才能保證功能的同時,自身結(jié)構(gòu)夠結(jié)實。

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很簡單,你站在飛機螺旋槳后面,不就能感到飛機螺旋槳往后吹的風了么?

同樣的,如果你拿一張紙從后面慢慢靠近電風扇,那張紙一樣會被吸到電風扇的金屬框架上。

二者的原理本質(zhì)上是一樣的啊…

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為什么飛機螺旋槳旋轉(zhuǎn)時產(chǎn)生的是拉力,而電風扇旋轉(zhuǎn)時產(chǎn)生的是風?

電風扇可是夏天省不了的電器,仲夏夜,空調(diào)加上電風扇,再來一部《決戰(zhàn)中途島》,那絕對是一種享受,美軍飛行員駕駛著“無畏”式俯沖轟炸機冒著密集的高射炮火,將炸彈了投向了赤城號航母甲板后方,炸彈穿過甲板在機庫中爆炸,赤城號彈藥殉爆,不就就沉入波光粼粼的太平洋。


但問題來了,這電風扇吹出的是絲絲涼風,而二戰(zhàn)的戰(zhàn)斗機前面也是個大風扇,卻能將飛機拉到天上,兩者之間的差距怎么會那么大呢?


螺旋槳飛機是怎么飛上天的?

早期的飛機都是螺旋槳作為動力的,現(xiàn)代飛機則大都是噴氣式動力,所以兩者起飛的時候有些許差別,因為螺旋槳飛機發(fā)動機在前方,重心也在前方,所以是后三點式起落架,起飛時先抬起尾翼。噴氣式發(fā)動機重心比較靠后,起飛時先抬起機頭,其余的飛行原理就差別不大了!


讓飛機起飛的真是伯努利原理嗎?

說起飛機飛行的原理,即使上網(wǎng)查詢告訴你的也是伯努利原理,道理很簡單,機翼上方氣流速度大于下方,所以上方氣壓低,下方氣壓高,所以產(chǎn)生了升力!而且書本上夾張紙條吹口氣就知道原理了一目了然,簡直好有道理!


但其實飛機如果真的只靠伯努利原理的話,那估計機翼要增加數(shù)倍,因為飛機的升力,我們不排除有一部分來自伯努利原理,但更多的是迎角以及渦流和襟翼,還有附面層下洗氣流,90%以上的升力都來自這些區(qū)域!


飛機的迎角非常關(guān)鍵,它是飛行器升力的主要來源,它必須在一定的迎角內(nèi)飛行,比如起飛時推力最大,尾翼向下偏轉(zhuǎn),給一個抬頭力矩,迎角比較大,然后襟翼放下,增加升力,起飛爬升后,襟翼漸漸收起,等爬到一定高度后飛機改平,其實此時仍然有一定的迎角,這個是機翼設(shè)計時就有一定的迎角,巡航時保持飛行器的升力!


以前的飛機都是液壓或者線控式,都是靜安定設(shè)計,沒有所謂的飛控系統(tǒng),所以人力都必須要隨時控制飛機,不能離開駕駛艙,但現(xiàn)代飛機為了節(jié)省油料以及獲得更好的飛行性能,大都采用靜不安定設(shè)計,連客機都開始放寬靜穩(wěn)定設(shè)計,因為可以帶來更高的升阻比,降低油耗等!


但卻有一個缺點,放寬靜穩(wěn)定設(shè)計后,所有的操縱面大大小小幾十個,用人力來控制顯然不人道,所以就會有一套飛控系統(tǒng)來控制,但飛控一旦故障,事情就嚴重了,去年波音737的事故就是迎角傳感器故障,導致飛控認為飛機迎角過大而開始自動調(diào)整飛機飛行姿態(tài)!

攻角傳感器(迎角)


然后就反復(fù)調(diào)整飛機進入俯沖,以增加速度,獲得升力,但結(jié)果此時飛機并沒有迎角偏大,結(jié)果飛機在飛行員控制下強行拉起,然后飛控又進入俯沖,最后飛機失去高度墜毀!


飛機迎角是不是很重要?

當然飛機動力更重要!

其實飛機采用什么動力根本就沒啥關(guān)系,足夠的推重比即可,一般噴氣式戰(zhàn)斗機至少也得0.6左右,大部分三代機都是0.8到1.0,而現(xiàn)代高性能戰(zhàn)斗機則是1.1-1.2!


客機和早期的螺旋槳飛機,推重比就很低了,只需要0.1-0.2即可,當然兩者機翼形狀不一樣,早起螺旋槳飛機都是矩形翼,或者橢圓翼,升力比較大,但阻力也大,而且不適合高速飛行!現(xiàn)代飛機的梯形翼或者三角翼,或者兩者結(jié)合,甚至前掠翼等,都是高性能機翼!


只要有合適的發(fā)動機,連板磚都飛起來,英雄不問出處,螺旋槳也能提供動力,它轉(zhuǎn)動把空氣向后推,反作用力飛機取得飛行的動力,這個向后推出的空氣量產(chǎn)生的拉力和飛機重量相比,就是推重比了,但有幾個非常關(guān)鍵的參數(shù)就是,螺旋槳形狀、槳距和轉(zhuǎn)速。


槳型很關(guān)鍵,如果裝個電風扇那樣寬大的螺旋槳上去,盡管它排出的空氣量確實不小,但還有一個螺旋槳的面積產(chǎn)生的阻力,絕對得不償失!


還有一個則是槳距,這個很好理解,槳距就是螺旋槳偏轉(zhuǎn)的角度,當然角度越大,風量也越大,但它總有個極限,比如變成90度就沒戲了,所以它和轉(zhuǎn)速以及槳型之間有一個關(guān)系,最大化利用動力當然是極好的!


不同槳距模式

最后則是轉(zhuǎn)速,螺旋槳尖很容易在高速下突破音速,所以此時螺旋槳尖就氣流就分離了,失去了螺旋槳的作用,因此避免超音速氣流分離也是高速空氣槳的可以課題,這個其實簡單,控制轉(zhuǎn)速不就好了么?但同樣存在一個效率問題。


電風扇怎么就沒飛上天呢?

準確的說電風扇沒有上天是因為它的功率太低了,比如直升機全都是螺旋槳產(chǎn)生的升力來來懸停,當然還有部分地效作用,所以直升機懸停分有地效懸停和無地效懸停,相對有地效懸停海拔可以高一些,無地效懸停海拔就比較低了!


差別可不是一般的大

道理很簡單,螺旋槳產(chǎn)生的拉力和飛行器重量相等時,即可懸停,有地效懸停就是螺旋槳和地面之間產(chǎn)生類似一個氣墊效應(yīng)托住飛機(當直升機距離地面比較近時,其旋翼下洗氣流會受到地面的影響,地面阻礙造成的流場變化使旋翼消耗的誘導功率(用于加速流經(jīng)旋翼的空氣)減小),而無地效懸停就是沒有這個氣墊效應(yīng)!所以兩者是有比較大差異的!


當電風扇吹風面朝下時,它也產(chǎn)生了氣墊效應(yīng)和推力,但這個力不足以和它自身的重力抗衡,因此它無法起飛,但此時你如果將其放在彈簧秤上稱一下,那么就可以明白,此時它的重量降低了,而減少的重量就是電風扇轉(zhuǎn)動時產(chǎn)生的升力,當然電風扇的質(zhì)量是不會變的。


如果你使用一個大功率的無刷高速電機,裝上螺旋槳,然后調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速,它是會飛起來的,但有一個作用你不可忽視,就是反向扭矩導致的扭轉(zhuǎn),這就是直升機要尾槳來平衡的原因或者用俄羅斯卡-52類似的串列正反轉(zhuǎn)螺旋槳!

無刷電機+雙螺旋漿

或者用麥道著名的MD600N無尾槳直升機,其實在那粗大的尾梁內(nèi),有一個從主旋翼下方導入氣流經(jīng)過一個風扇到尾部的開孔,它的好處時候沒有尾槳不會不小心打到障礙物!

MD600N直升機尾梁結(jié)構(gòu)

MD600N直升機

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其實螺旋槳也可以看做是巨大的風扇,飛機的螺旋槳旋轉(zhuǎn)時也會產(chǎn)生風,而電風扇旋轉(zhuǎn)時也會產(chǎn)生力的效果。

飛機螺旋槳拉力的產(chǎn)生

螺旋槳式飛機在空中飛行時,主要受到空氣阻力、重力、飛機升力和螺旋槳提供的前進動力。飛機的螺旋槳根據(jù)不同的安裝部位,可以提供不同的施力效果,如果把螺旋槳按照在飛機尾部,則螺旋槳本身提供的是推力,這一點和船舶的水下螺旋槳施力效果類似。比如美國的B-36轟炸機。

我們知道飛機的升力通常用伯努利定理和牛頓第三定律來解釋,而旋轉(zhuǎn)的螺旋槳在一定意義上就相當于在空氣中飛行的機翼,二者都是依靠空氣本身來獲得力的效果。由伯努利定理可知,在流體系統(tǒng)中流體的流速快則壓力小,流速慢則壓力大,因此和飛機的機翼類似,螺旋槳也具有弧形的表面設(shè)計,當螺旋槳飛速旋轉(zhuǎn)時,其效果就相當于空氣中快速劃過的機翼,因此螺旋槳產(chǎn)生的拉力其實來自于槳葉表面的壓力差。


對航空知識較為了解的朋友應(yīng)該知道,飛機的螺旋槳也有固定槳距和可變槳距之分,可調(diào)槳距機構(gòu)可以使螺旋槳葉片產(chǎn)生扭角,當螺旋槳旋轉(zhuǎn)時會產(chǎn)生向后“推”空氣的分量,由牛頓第三定律可知,空氣本身也會對螺旋槳施加向前的作用力,因此具有傾角的螺旋槳旋轉(zhuǎn)時,其拉力的形成原因主要是伯努利定理和牛頓第三定律。

直升機可以看做是螺旋槳被安裝在頂部的飛行器,此時螺旋槳主要提供飛機飛行的升力和前進的動力,我們可以從下圖明顯的看出,螺旋槳旋轉(zhuǎn)時不僅產(chǎn)生升力(拉力),同樣會推動空氣形成風。

電風扇更主要是為了獲得風,但也有力的效果

在空調(diào)沒有普及到千家萬戶之前,電風扇是每個家庭夏日必備的降暑神器。電風扇其實和飛機的螺旋槳非常類似,或者我們可以將其看做是具有一定傾角的固定槳距螺旋槳,但是如果我們細心觀察會發(fā)現(xiàn),電風扇的葉片大都是簡單的平面式結(jié)構(gòu),葉片的傾角比較大,這其實是為了以更高的效率來對空氣施加作用力從而獲得風,由牛頓第三定律可知,風扇推動空氣形成風,風扇本身也會受到力的作用,因此旋轉(zhuǎn)的電風扇也會受到力的影響。

如果我們手持電風扇,并將其撥到最快轉(zhuǎn)速檔位,也是會明顯的感受到來自空氣的作用力的,除此之外,我們也可以將電風扇放到木板上,讓其漂浮在水中,當電風扇開啟時,我們會看到木板會向電風扇的后方移動,這其實類似于氣墊船的前進原理。

在日常生活,我們所使用的電風扇通常分為臺式/落地式電風扇和吊頂式電風扇,小時候常常擔心吊頂式電風扇會掉下來,把我的腦袋給削了,如果小時候了解牛頓第三定律,坐在吊扇下吃飯的我或許會少一些擔心。估計牛頓第三定律,如果吊扇在未旋轉(zhuǎn)的狀態(tài)下不會掉下來,那么旋轉(zhuǎn)時的吊扇就更不會掉下來了,因為工作狀態(tài)的電風扇會把空氣向下推,其必然受到向上的作用力。

總結(jié)

飛機螺旋槳旋轉(zhuǎn)時不僅會有拉力的產(chǎn)生也會有風的形成,但其主要是為了獲得力的效果;電風扇旋轉(zhuǎn)時不僅有風的產(chǎn)生也有力的存在,但其主要是為了產(chǎn)生風。

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不管是飛機螺旋槳還是家用電風扇,也不管是巨型運輸機還是迷你口袋小風扇它們的功能特征基本一樣,在長生風的同時也長生拉力,根本就不可能是飛機就只產(chǎn)生拉力,風扇就只產(chǎn)生風。

這世界上只要運動的東西就一定產(chǎn)生力,就算是靜止也可以產(chǎn)生重力?諝饬鲃右脖厝划a(chǎn)生力,風越大力越大,力越大風也越大,這兩者是成正比增長。

舉個例子:颶風,龍卷風,微風都是風,假如你可以把颶風的風速用人工手段降低下來它也會變成讓人感到非常舒適的微風,完全失去原有的破壞力。再如果你可以把家里風扇的風速提高到颶風的高度一樣也可以把你家屋頂給掀翻。

風扇沒產(chǎn)生拉力是因為你沒在意,飛機螺旋槳產(chǎn)生拉力是因為你親眼看到飛機飛起。

風扇和飛機螺旋槳不單會產(chǎn)生拉力還會產(chǎn)生推力,它們的工作原理是通過加速空氣流動然后在空氣加速流動過程中產(chǎn)生動力。把風扇對著衣服吹衣服會飄起來這就是力,這是風扇正面的推力,如果拿張紙放在風扇的背面會立即被吸在風扇上這就是吸力也就是你所說的拉力。

飛機螺旋槳是因為飛機的需要把扇葉調(diào)了個方向,比如直升機就是把風扇的正面朝上,這樣在螺旋槳啟動的時候空氣由下到上加速流動就會產(chǎn)生一股向上的拉力把飛起給拉起來,它們起飛的時候地面飛沙走石那不是風又是什么?當然飛機飛在高空中的時候你是感覺不到有風的,因為距離太遠。

想用家用風扇帶動飛機起飛肯定是無法做到,風扇的扇葉太小轉(zhuǎn)速過低它所產(chǎn)生的力不足以讓飛機起飛,它的力只能讓一些小東西飛起來,比如灰塵,紙屑等等,現(xiàn)在玩得比較火的小型無人機就是利用這個原理實現(xiàn)起飛,無人機的螺旋槳拆下來一樣可以當迷你風扇用。假如把飛機螺旋槳拆下來搭個架子當風扇對著人吹肯定可以讓你不用打傘就可以飛起來,不信可以去試試。

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飛機螺旋槳后面也會產(chǎn)生風的。電風扇也會產(chǎn)生拉力/推力。

螺旋槳和電風扇葉片的區(qū)別,一個是葉片細長,一個是短粗。電風扇也有圓短的,像船舶的螺旋槳。船舶螺旋槳轉(zhuǎn)動的時候,水流加速流動。這和電風扇的效果是一樣的。

那為什么電風扇有拉力卻不移動呢?主要是功率不夠。電風扇使用電動機,依靠磁鐵線圈產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)。電磁鐵非常重,一臺風扇的電動機功率才幾十瓦,幾百瓦,發(fā)出的功率和重量之比很小,推不動風扇運動。

二戰(zhàn)時期戰(zhàn)斗機發(fā)動機有一千多馬力,折合1兆瓦。相當于一兩萬臺電風扇。按照一臺風扇至少一公斤計算,一萬臺就是至少10噸重。這么重的飛機依靠電風扇的推力根本飛不起來。

二戰(zhàn)時期戰(zhàn)斗機才幾噸重。相同的發(fā)動機功率,可以推動飛機,飛機可以飛起來。

此外,螺旋槳的剖面采用增加升力的翼型,比風扇的平板葉片效能更高,產(chǎn)生的拉力更大。

螺旋槳和風扇都是既產(chǎn)生拉力,又加速空氣流動形成風。由于自身重量-功率的比值不一樣,一個可以移動,一個不動。風扇產(chǎn)生的力被忽視了。

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如果你愿意的話,把直升機槳葉立起來轉(zhuǎn),就是個巨型電風扇。嗯,這個問題過于高深,確實不好理解。

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