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当你开始加速的时候,也许你最不愿看到的是被风的阻力拖了后腿,不过事实上,这倒带来了一些便利。飞机为了获得相对于地面的一定速度,若在逆风的情况下起飞,能获得更快地通过机翼的气流——起飞时的速度相当于飞机的滑跑速度加上风的速度。
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假设一架飞机需要达到时速150英里才能起飞。若起飞时,逆风时速为50英里,飞机在地面上的滑行时速只要达到100英里就可以了。但如果在相同风速的顺风情况下,气流通过机翼产生的上升力将会减小,这样一来,飞机的时速要达到200英里才能升空。
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在现实情况下,机场跑道不可能顾及各个方位,所以它们的方向通常与当地盛行风的方向一致。每条跑道都以它们的磁方位角的缩写编号(在跑道的尽头你能看见巨大的数字)。如果某条跑道与磁北顺时针方向的夹角为10度以内,那它就被编为01号。夹角若为20度以内则为02号跑道,以此类推。由于飞机有可能从跑道任何一端着陆(这取决于风向),所以跑道的两端都被编了号,两个数字相减为18(两者相距180度)。
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比方说,伦敦希思罗机场有两条平行的跑道,按照进入跑道的方向,分别被命名为27Left(左)和27Right(右),或是9Right(右)和9Left(左)。如果你从伦敦方向往西面飞,走的就是27号跑道;如果你往东飞,则是9号跑道。希思罗还有一条处于不同角度的第3条跑道——23号或5号跑道——由于太短导致大型飞机无法起飞,所以2005年就被关闭了。它现在被用作滑行道,从谷歌地图的航拍图上你就能看到,跑道尽头的编号已经被擦去了,不过印记还是清晰可见的。其他的机场跑道更多,比方说,雄伟的芝加哥奥海尔(O’Hare)机场就有7条跑道。
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当飞机到达跑道起点时,飞行员会面临两种状况。他们最希望的是能立即起飞。在这种情况下,飞机马上就入跑道,紧接着,油门杆被推起,随后飞机便进入起飞前的滑行了。如果能这样,是最高效不过的了,因为发动机就不必再费力使飞机从静止变为运动状态了,而且,毫无疑问的是,这样一飞冲天的男子汉气概对大多数飞行员也充满了吸引力。不过现实中的情况是,大部分时候,你都不得不在跑道的起点等上几分钟。
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通常,这种拖延是因为需要起飞的飞机很多。这并不仅仅只是排个队的问题,让前面的飞机先冲上跑道,这样后面的飞机就能远离它们喷射出的气流——这种等待远比排个队的时间要长得多,尤其是当前面的飞机比你那架飞机要大的时候。等待的原因是,起飞时,机翼前端使空气中产生旋转的涡流。设想一下水槽中的水是怎样打着转转流入排水孔的吧。这就是一个微型的涡流,机翼在空气中产生的涡流与之类似,只不过它们更不容易被肉眼发现,而且威力也要大得多。
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漩涡之中
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想在家中观察到漩涡,你得先把水槽的塞子塞上,装满水,然后小心地将塞子拔出,观察水是如何进入下水孔的(用浴缸代替水槽效果会更好,因为会有更多的时间让涡流成形)。你会在水面上看到一个小小的漩涡,朝着排水孔的方向涌去。这就是涡流。
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你也许听说过这些排水孔涡流受到地域的影响,南北半球水涡旋转方向各不相同。该现象可以用科氏力(Coriolis force)来阐释,它是由于地球自转而产生的。假设某人站在北极,不管他怎么走,他都在打转,事实上还都只停留在原地,这就是地球自转造成的。从两极向赤道方向前进,由于地球的自转,你的速度会随地球一起加快,因为在地球转速不变的情况下,离赤道越近,你要走的那个圈就越大。同理,如果你有一浴缸的水,离地球两极越近的这部分水的运动会缓慢些。最后的效果是,那些水如果不是被固定在地球表面的话,都会以顺时针方向旋转。
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科氏力的影响也体现在某些天气现象上,它们在北半球以顺时针方向旋转的方式出现,在南半球则变为逆时针方向。不过,水槽或浴缸的面积还太小,不足以影响到水涡的方向。反而其他一些客观因素如排水孔的形状和塞子被拔出时的方法将影响其旋转的方向。这些因素的影响超过了科氏效应。
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飞机翼尖产生的涡流需要2~3分钟才能平复。若是有飞机驶入混乱的气流,它将变得难以操控,因此,飞机起飞需要间隔,留出足够的时间让气流恢复稳定。
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飞行中的科学 牛顿定律是怎样让你动起来的
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无论是需要等待,还是能直接冲上跑道,起飞的那一刻最终都会到来。这时,油门杆被推起,而你也被猛地推向了座椅。此时,你有机会在现实中感受那个著名科学定律的奥妙了——此刻,你的一切都在牛顿运动定律掌握之中啦。这些定律都和力有关,从本质上来说,力是所有现象产生的基础。比如,若某物体突然开始运动,那一定有个施加于它的力。牛顿提出了三个不同的关于力的定律,当你冲上跑道的那刻起,牛顿的三个定律就开始起作用了。
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牛顿第一定律中说到一个物体(比如你的身体)在没有受到力的作用时,总保持原有状态——运动或静止。这听起来似乎并没有什么了不起的,但是在牛顿之前,人们认为如果想让物体处于运动状态,就得不停地施之以力。如果停止施力,物体就会静止。(其实,过去的理念还是挺复杂的呢,因为那时人们认为物体(如地球)都受到重力,因而有一种向宇宙中心靠近的自然趋势,同时,其他物体(如空气)则有浮力,因而有一种远离宇宙中心的自然趋势,而对于除此之外的其他物体来说,不受力便静止。)然而,牛顿却意识到,一旦物体处于运动状态,必须对其施加一个外力(和它原有运动方向相反),它才能停下来。
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飞机的发动机施力于飞机,正是这个力使飞机动了起来。而与此同时,你的身体还是处于静止状态。所以,座椅推了你一把。而你(因为你只从你的角度看问题,而非从椅子的角度)感受到的是身体靠到了椅背上,陷入椅子中,但是,不论从原因或效果而言,都是椅子推了你。这样,你就被施力了,开始运动。同样,如果你不动起来的话,当椅子开始向前运动的时候,你的身体将会被椅子击穿。
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那么,这个力到底对你做了些什么呢?牛顿的第二定律告诉我们,推你的外力等于你的质量乘以你所经历的加速度。你所感受到的外力越大,你的加速度就越快。飞机在短短的半分钟内就从静止状态加速到时速150英里,这个加速度是重力加速度的1/4。因此,你所承受的g力(g—force)——相当于重力——大约是0.25g。
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这个力看起来微小,比起一辆车时速从0到60英里加速过程中所受的g力,它的确算不了什么。例如,捷豹XJR从0加速到时速60英里仅需5秒,所受g力为0.6g。那么,为什么你在飞机上能明显地感觉到自己被推向座椅呢?当飞机油门加大时,你在瞬间承受了大部分的推力,而对于汽车来说,这种推力是逐渐增加的,所以通常都会被人们忽略(而且我们绝大多数人开的都不是高性能的好车)。
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飞机在跑道上的加速过程很好地诠释了牛顿第三定律。通俗地说,这条定律告诉我们:两物体相互作用时,它们产生的相互作用力总是大小相等而方向相反。从表面上看,这和废话没什么两样。好像你根本就没法移动任何东西,因为当你试图推某物时,就会产生一个一模一样的反推力,最终的结果就是,那东西还是纹丝不动。但是,如果没有牛顿第三定律,飞机还是动不了。
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牛顿第三定律之所以能让物体动起来,是因为作用力和反作用力的受力对象是不同的。当你推盒子时,盒子也以相同大小的力在推你。如果你跳伞,地球对你的吸引力和你对地球的吸引力是完全相等的。但是,我们不能忘了牛顿第二定律——外力等于质量乘以加速度。地球的质量远远在你的之上,所以即便你与地球相互作用的力相等,地球所承受的加速度等于外力除以它庞大的质量——不管怎样,地球都不会受到影响。
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当椅子推你时,你也推了椅子。如果不是你推了椅子,你就不会带着加速度陷入椅子中,而会感觉被猛地推向前去。不过,牛顿第三定律的作用远远比这些要重要得多。飞机发动机之所以能使飞机运动,仰赖的就是它。
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