手投式飛機學科學

手投式飛機學科學

玩手投式飛機不但價錢便宜,而且當中蘊藏著不少的 STEM 元素,單單要令飛機飛得更遠及在空中維持得更長時間,就需要運用很多科學知識及數學技能。

要令飛機成功在天空上飛,就必須克服兩大難題。第一,是地球存在地心吸力,會令有重量的飛機因地心吸力而下降。第二,就是當飛機前進時,空氣會因飛機前進而產生方向相反的阻力。根據伯努利定律,只要推動飛機向前進的「推力」大於阻力,同時飛機向上升的「升力」大於重力,就可以令飛機在空中飛翔。同樣,手投式飛機的推力就是由人用手把飛機向外投時所提供的外在動力,而手投式飛機的升力就是透過機翼的設計在飛行時產生的氣流而出現。

推力:飛機要前進就要由引擎產生的動力。

阻力:當飛機前進時,空氣會產生與它相反的力。

升力:當飛機前進時,在主機翼上產生向上的力。

重力:因為飛機的體重而產生的重力。

手投式飛機的機身設計

手投式飛機的機身外型和平時所見的真飛機差別不大,兩者都是以流線型設計,機翼的表面十分平滑及機翼有相對的闊度和長度,機翼的翼尖設計會出現向上揚的上功角。此外,機翼的翼尖設計會出現向上揚的上功角,有助飛機在飛行時保持穩定。另外,手投式飛機所採用的是比較輕的發泡膠物料,使用較輕的物料有助飛機飛行時減低飛機的重力,有助手投式飛機維持在空中的時間,而飛機的頭部位置較硬和較重,同樣有助對抗空氣阻力。從俯視角度看飛機,它的軸是對稱,有助穩定機身。

當空氣流經機翼的截面成拱形,在機翼上方流動的空氣分子因在同一時間內行走得較長的距離,相反在機翼下方流動的空氣分子走得較慢,造成在機翼上方的氣壓會比機翼下方低,下方較高氣壓就能支撐飛機浮在空氣中。

當空氣流經機翼的截面成拱形,在機翼上方流動的空氣分子因在同一時間內行走得較長的距離,相反在機翼下方流動的空氣分子走得較慢,造成在機翼上方的氣壓會比機翼下方低,下方較高氣壓就能支撐飛機浮在空氣中。

飛機在飛行時,空氣對機身會產生阻力和摩擦力,故此為提高飛行效率,在飛機的機身會以流線型設計以減低空氣的阻力,但是阻力是必須的,因為也要利用阻力來控制飛機的減速和穩定機身。

飛機在飛行時,空氣對機身會產生阻力和摩擦力,故此為提高飛行效率,在飛機的機身會以流線型設計以減低空氣的阻力,但是阻力是必須的,因為也要利用阻力來控制飛機的減速和穩定機身。

運用飛行原理製作紙飛機

要摺出一架在空中滑翔得較長時間的紙飛機,可以參考手投式飛機的飛行原理,只要在重力、推力、升力和阻力的方向去思考,就能摺出飛得又遠又耐久紙飛機。

重力:紙飛機的重量。

推力:紙飛機靠人手或紙飛機發射台來推動,拋射紙飛機力度和方向都會影響所產生的推力。

升力:紙飛機絕對會受外界氣流的影響,當氣流的流動速度不同,會產生不同的壓力,要想辦法令機翼上方的氣流比機翼下方的快來減低上方的壓力,由較大壓力的機翼下方把飛機向上舉起而使紙飛機上升。

阻力:影響紙飛機的升力和阻力的因素主要是機翼的面積,面積愈大,空氣的升力及阻力也會愈大。

體驗控制飛行

紙飛機本身是沒有動力的,需人或發射台拋射,而機翼提供的阻力會減慢它下降的速度。因此當設計飛機時,任何人手改良地方,都可作體驗控制飛行的方式。以下就提出四個控制方法。

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A 增加機頭重量

機頭重量愈大,紙飛機的穩定性就會提高,可是紙飛機的下墜力也同時會增加。機身重量之平衡點應於機頭開始量度的1/3位置,同時選用的紙質不宜太重。

機頭重量愈大,紙飛機的穩定性就會提高,可是紙飛機的下墜力也同時會增加。機身重量之平衡點應於機頭開始量度的 1/3 位置,同時選用的紙質不宜太重。

B 利用「Y」形的機身設計

「Y」形的機身設計能提升紙飛機的穩定性,有助減低機身左右擺動。

「Y」形的機身設計能提升紙飛機的穩定性,有助減低機身左右擺動。

C 保持兩邊機翼是對稱

摺紙飛機的機翼需時要特別細心,因要維持兩邊機翼是對稱,少少的偏差都會影響飛行時的平衡性。

摺紙飛機的機翼需時要特別細心,因要維持兩邊機翼是對稱,少少的偏差都會影響飛行時的平衡性。

D 適當的運用升降舵

在紙飛機加入升降舵的摺法能提供紙飛機的上升能力,有助抵抗地心吸力。真正的飛機主要是以機翼後端的升降舵來改變上下的飛行方向,而在紙飛機可剪出一對簡單的升降舵。紙飛機需靠人為提供推力,而且不能控制方向,加入升降舵的設計能夠控制方向、改變飛行姿態,例如上下擺動,控制機頭向上、向下。對朝上的升降舵,它會使空氣在機翼的後端產生一個向下的反作用力,而使機首相對朝上,衝角增加,升力增加,因而產生一個向上飛行的效果。

摺痕是紙飛機的主要骨幹,摺得愈實更受力有助減少亂流穿過機身。

摺痕是紙飛機的主要骨幹,摺得愈實更受力有助減少亂流穿過機身。

 

升降舵1 升降舵2 從飛機後方看過去的飛行情況
朝上 朝上 向上飛行
朝下 朝上 向下飛行
朝上 朝下 逆時針翻滾
朝下 朝下 順時針翻滾

摺飛機又好,滑翔機也好,當中都有不少 STEM 元素會影響飛機的飛行,如何改變爬升的高度?可以改變初始速度和升降舵的角度。如何要控制飛機偏左或偏右飛行?可以在機尾剪出一個方向舵來改變飛行方向。此外,用萬字夾在適當的地方可改變飛機的重量或重心的位置,甚至比較重量或重心如何影響飛行較果,STEM 真是無處不在。