空中飛行的交通工具

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飛機和火箭

交通工具的進步亦讓我們到達很多以前未曾到過的地方。回想在二十世紀初，人類才能首次成功駕駛飛機升空，現在珍寶噴射機已能把我們帶到世界各地，而讓我們探索太空的火箭亦在這幾十年間發展起來。你有沒有想過飛機是如何飛行的？火箭又是怎樣運作的呢？

圖 11 飛機怎能飛行？圖 12 火箭把我們帶到太空

飛機怎樣運作？

圖 13 作用在飛行中的飛機的力

圖 14 經過機翼的空氣在機翼的不同位置有不同的速度，這形成壓力的差別，產生了一個向上的淨力 (升力)
要了解飛機怎樣運作，請看圖 13 所示作用在飛機上的力。飛機引擎產生的推力令飛機向前運動；重量是地球作用在飛機的重力；飛機在空氣中運動時，會產生一個向上的力把飛機升起，這個力稱為升力；阻力則來自空氣，是阻礙飛機運動的力。

飛機可以飛行，是因為它在空氣中運動時產生向上的升力。升力主要來自機翼在空氣中的運動，當升力平衡了飛機的重量，飛機便可以在空中飛行。

機翼怎樣產生升力？圖 14 是普通機翼的橫切面。通常，機翼的上下部份形狀並不對稱，而且，機翼可能在飛行時傾斜，與水平面形成一個細小的角度。當飛機向前運動時，空氣流經機翼的頂部和底部時有不同的速度。根據流體力學，空氣作用在機翼上不同地方的壓強與空氣的速度有關。計算結果表明，機翼的特別形狀和傾斜的角度造成機翼底部的氣壓比頂部高，導致一個向上的淨力，這就是升力。

阻力基本上是由空氣阻力所引起的。根據牛頓第一定律，飛機引擎所產生的推力必定要和阻力互相抵消，才能讓飛機保持勻速運動。在一個長途旅程中，飛機產生的能量主要用於對抗阻力。

火箭怎樣運作？

圖 15 當火箭發射，施加在高溫氣體和火箭的力是一對作用力和反作用力
你也許在電視中看過火箭發射的過程。當火箭發射時，燃燒的氣體由火箭噴出。事實上，火箭之所以能向上運動，主要是基於牛頓第三運動定律。這定律指出

每個作用力同時產生一個大小相等但方向相反的反作用力

根據牛頓第三運動定律，當高溫氣體在火箭底部的噴嘴以高速噴出時，一個方向相反的力必定作用於火箭上，把火箭向上推。高溫氣體噴出時所承受的力，和火箭所承受的推力，稱為作用力和反作用力對。

我們還可以利用動量守恆定律解釋火箭的升空運動。發射前，火箭 (加上燃料) 都是靜止的，因此總動量為零。當燃料燃燒時，高溫氣體以高速從火箭噴出來，具有向下的動量。根據動量守恆定律，火箭應該得到一個量值相同、但方向相反 (向上) 的動量，使氣體和火箭的總動量保持為零。因此火箭不斷噴出高溫氣體時，它向上運動的速度便不斷增加。

交通工具的形狀和能源效益的關係

圖 16 和諧式客機設計成流線型以減少空氣的阻力
你有否注意到火箭、飛機和磁浮火車的形狀全都是幼長、前端是尖或是傾斜的？這些交通工具設計成這類形狀，目的是減少它們在高速運動時承受的空氣阻力。當速率增加時，空氣阻力的影響便變得越來越大。科學家發現在一個特定的速率範圍內，物體所受的空氣阻力為

這裏 Cd 稱為阻力系數，只決定於物體的幾何形狀， r 是空氣密度，A 是和物體切面面積有關的參考面積，v 是物體的速率。一般來說，形狀幼長、前端是尖或是傾斜的物體有較低的阻力系數。這是高速火車和飛機設計成這類形狀的原因。物體運動時所受的阻力較小，代表使保持物體向前運動所需作的功亦較小，因此可以節省能量。

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