F1追求的速度，那你知道F1D追求的是什么嗎？它追求的是速度的另一個極端，慢！而且是飛在天上的慢。不過，飛機(jī)沒有速度，怎么可能飛得起來的呢！我們今天，就借著這架世界上飛得最慢的飛機(jī)，來介紹一下這究竟是為什么。
在進(jìn)入理論環(huán)節(jié)之前，我們還是先花點(diǎn)時間，來仔仔細(xì)細(xì)的認(rèn)識一下咱們今天的主角——F1D飛機(jī)。F1D飛機(jī)是一種極輕質(zhì)、極慢速的室內(nèi)自由滑翔模型飛機(jī)。它們專為在室內(nèi)環(huán)境中長時間飛行而設(shè)計，通常用于自由滑翔模型飛機(jī)比賽。什么是自由滑翔模型飛機(jī)比賽？它是一種讓模型飛機(jī)跟隨風(fēng)的方向飛行，并在上升的熱氣流中翱翔的特殊飛行比賽。模型飛機(jī)完全自由的按照它自己的路線飛行，不受任何地面控制。如果你曾經(jīng)扔過一架折疊的紙飛機(jī)或一架小店購買的輕木滑翔機(jī)，那么你已經(jīng)體驗過最基本形式的自由滑翔模型了。
自由滑翔模型主要有兩種類型：室內(nèi)飛行和室外飛行。室內(nèi)模型非常輕，飛行速度極慢，通常由扭轉(zhuǎn)橡皮筋驅(qū)動大螺旋槳提供動力。手?jǐn)S滑翔機(jī)和用橡皮筋圈彈射到空中的滑翔機(jī)也可以在室內(nèi)飛行。它們常在學(xué)校體育館、禮堂和類似的大型開放空間內(nèi)飛行。室內(nèi)模型是入門模型制作最便宜和最簡單的方式之一，并且在大多數(shù)地方都可以找到合適的飛行場地。 室外模型通常比室內(nèi)模型更大更重。高級類型的模型性能非常高。在理想條件下，有些模型一次飛行可以在空中停留近一個小時。還有一些模型在返回地面之前能被熱氣流帶到幾十公里之外。最先進(jìn)的類型在僅僅5秒鐘的動力飛行后可以滑翔超過十分鐘。為了防止模型丟失，大多數(shù)室外自由飛模型都配備了定時裝置來限制引擎的運(yùn)行時間。其他定時器操作的裝置則在模型被熱氣流帶走之前安全地將其帶回地面。但不論是室內(nèi)還是室外模型，無一例外，它們都是以慢為勝的。
這似乎就跟升力產(chǎn)生的原因有悖了，因為按照常理來說，飛機(jī)的機(jī)翼得以足夠的速度劃過空氣，才能有托舉起它的升力產(chǎn)生呀。我們不妨先來回顧一下：產(chǎn)生升力的基本原理可以通過伯努利原理和牛頓第三運(yùn)動定律來解釋。伯努利原理指出，當(dāng)流體，比如空氣的速度增加時，其壓強(qiáng)會減小。飛機(jī)的機(jī)翼設(shè)計成上表面彎曲、下表面相對平直的形狀，這種設(shè)計稱為翼型。當(dāng)空氣流過機(jī)翼時，上表面的空氣速度較快，下表面的空氣速度較慢。根據(jù)伯努利原理，這種速度差異導(dǎo)致上表面的壓強(qiáng)較低，下表面的壓強(qiáng)較高，從而產(chǎn)生向上的升力。除了伯努利原理，我們還能用牛頓第三定律來解釋升力。牛頓第三運(yùn)動定律告訴我們，每一個作用力都有一個大小相等、方向相反的反作用力。當(dāng)空氣流過帶有一定傾角的機(jī)翼時，機(jī)翼向下推空氣，空氣也向上推機(jī)翼。這種反作用力也就貢獻(xiàn)了一部分升力。你如果單看以上解釋的話，會認(rèn)為速度是一個制勝法寶，但是，請別忽略了升力產(chǎn)生的另一個至關(guān)重要的因素——機(jī)翼的設(shè)計。其實大翼展和合適的翼型設(shè)計也可以在低速下產(chǎn)生足夠的升力，使飛機(jī)能夠懸停和緩慢飛行。具體來說，它倆是這么工作的： 翼展是指從機(jī)翼一端到另一端的距離。大翼展意味著機(jī)翼面積較大，這有助于分散飛機(jī)的重量，并提供更多的升力。因為升力與機(jī)翼面積成正比，所以大翼展的飛機(jī)即使在低速下也能產(chǎn)生足夠的升力。 而機(jī)翼的翼型，即機(jī)翼的橫截面形狀則直接影響空氣流動速度和壓強(qiáng)差異。特殊的彎曲設(shè)計可以讓上表面的空氣流動得更快，從而降低壓強(qiáng)，而下表面的相對平直設(shè)計使空氣流速較慢，從而增大壓強(qiáng)。這種更大的壓強(qiáng)差異就使得即使在慢速的情況下，也能有更大的升力產(chǎn)生。
所以別看F1D飛機(jī)看起來好像很簡單，甚至是簡陋，其實它的設(shè)計極其的精妙呀。除了大翼展和高升力的翼型以外，它還有其他幾個能讓自己輕松起飛并長時間停留在空中的關(guān)鍵因素——第一， 極輕的重量。F1D飛機(jī)的重量通常在1.4克左右。為了達(dá)到如此輕的重量，它在制造過程中必須使用超輕材料，如碳纖維骨架、極薄的塑料薄膜和極輕的橡皮筋。這使得飛機(jī)即使只產(chǎn)生了很小的升力，也能夠順利托舉起自己；第二，高性能的橡皮筋。F1D飛機(jī)利用橡皮筋的扭轉(zhuǎn)力作為動力源。橡皮筋通過扭轉(zhuǎn)儲存能量，釋放時驅(qū)動螺旋槳轉(zhuǎn)動，為飛機(jī)提供向前的推力。盡管推力很小，但足以推動輕質(zhì)的F1D飛機(jī)飛行。 第三，優(yōu)異的空氣動力學(xué)設(shè)計。 F1D飛機(jī)的機(jī)翼和尾翼設(shè)計精妙，優(yōu)化了升力和阻力的平衡，使飛行速度得到了有效的降低。于是飛機(jī)的能耗也降得很低，使橡皮筋動力能夠維持更長時間。第四，為了確保穩(wěn)定飛行，F(xiàn)1D飛機(jī)的各個部分必須精確調(diào)校。機(jī)翼的角度、螺旋槳的推力軸線和重心位置等都需要精確調(diào)整，以確保飛機(jī)在飛行中的穩(wěn)定性和平衡性。
怎么樣，了解以上這些知識后，你就明白為什么它能是世界上飛得最慢的飛機(jī)了吧。那好，這架飛機(jī)除了參加你可能連聽都沒有聽說過的自由滑翔模型飛機(jī)大賽，以及解壓以外，它還有啥作用呢？其實吧，它們的設(shè)計和技術(shù)也具有一定的實際應(yīng)用價值的，總結(jié)起來大概有以下三個：教育和培訓(xùn)、創(chuàng)新和研究，還有娛樂和愛好。F1D飛機(jī)的設(shè)計和制造過程涉及多學(xué)科知識，如空氣動力學(xué)、材料科學(xué)和機(jī)械工程。它們是學(xué)習(xí)和教學(xué)空氣動力學(xué)和工程原理的優(yōu)秀工具，能夠幫助學(xué)生和愛好者理解飛行原理和制造工藝。同時，F(xiàn)1D飛機(jī)的輕量化和高效設(shè)計對微型無人機(jī)和其他小型飛行器的研發(fā)具有啟發(fā)意義。研究和改進(jìn)F1D飛機(jī)的技術(shù)可以為更輕、更高效的無人飛行器設(shè)計提供借鑒。對于模型飛機(jī)愛好者來說，制作和飛行F1D飛機(jī)是一種極富挑戰(zhàn)性和樂趣的活動。通過不斷優(yōu)化設(shè)計和調(diào)校，愛好者們可以體驗到極大的成就感。 這就使得它成為了另一場人與自然的較量，就像釣魚、帆船或狩獵等其他戶外運(yùn)動一樣，它需要一定的觀察力、耐心和判斷力，而這些品質(zhì)，也是獲得其他領(lǐng)域成功的要素。
本文為科普中國·創(chuàng)作培育計劃扶持作品
作者：火箭叔
審核：戴玉婷 北京航空航天大學(xué)飛機(jī)系教授
出品：中國科協(xié)科普部
監(jiān)制：中國科學(xué)技術(shù)出版社有限公司、北京中科星河文化傳媒有限公司
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