和鳥類學飛翔,讓人類學會飛行奧秘——《天才達文西的科學教室 | 老鷹飛行原理

「觀察在稀薄高空中飛翔的老鷹,牠的翅膀是如何鼓動著空氣,讓沉重的身體得到支撐。

物體對空氣施加的力量,等於空氣對物體施加的力量。

」15 世紀末,達文 ...070文字分享友善列印070好書搶先看萬物之理和鳥類學飛翔,讓人類學會飛行奧秘——《天才達文西的科學教室:像科學家一樣,發明、創造和製作STEAM科展作品》快樂文化・2021/01/30・3697字・閱讀時間約7分鐘・SR值512・六年級+追蹤飛行的物理學「觀察在稀薄高空中飛翔的老鷹,牠的翅膀是如何鼓動著空氣,讓沉重的身體得到支撐。

物體對空氣施加的力量,等於空氣對物體施加的力量。

」15世紀末,達文西在筆記本如此寫道。

達文西僅憑觀察,就掌握飛行的原理了。

飛行的原理讓達文西深深為之著迷。

他發明人力驅動的飛行器,試圖證明人類能否飛上天,還設計人類可以操縱的翅膀。

他仔細研究飛行中的鳥,並且提出飛行的假說:「鳥類張開寬寬的翅膀,加上短短的尾巴,準備起飛,」他接著寫道,「鳥類必須用力抬起翅膀,然後放下翅膀拍動下方的空氣。

」金鵰的翅膀善用空氣分子,身體起飛與降落。

圖/天才達文西的科學教室上圖的金鵰比空氣重,但是翅膀造形卻能善用空氣分子,讓身體起飛與降落。

金鵰飛行的時候,你認為氣流通過翅膀上方與下方時,哪邊的速度較快?量量看,1公尺有多長,是金鵰身體的長度;再量量看23公尺有多長?這是牠的翅膀展開的長度!再想像一下:金鵰拍動翅膀、凌空起飛的模樣。

你認為翅膀上方還是下方的氣壓比較大?可以解釋原因嗎?達文西的《鳥類飛行手稿》。

圖/天才達文西的科學教室上圖的字跡與插圖,出自達文西的《鳥類飛行手稿》(CodexontheFlightOfBirds)。

他的研究,造福許多後世的科學家,包括丹尼爾•白努利(DanielBernoulli)。

他在1738年解釋了空氣流動的科學原理。

白努利認為:鳥類飛行時,因為翅膀結構的關係,空氣通過翅膀上方的速度較快,使得氣壓較低,而空氣通過翅膀下方的速度較,使得氣壓較高。

翅膀上方與下方的壓力差,進而造成了升力。

編按:解釋飛機能升空飛行的物理概念,除了白努利概念外,尚有其他因素,例如飛行時的角度、飛機造形和其他效應等。

有許多物理概念可以解釋飛機能升空的原因。

圖/天才達文西的科學教室飛機為什麼可以在天上飛?開始調查吧!我們蒐集資訊,一起設計翅膀,就跟達文西一樣!我們將蒐集涵蓋翅膀形狀、空氣與運動方面的資訊,也跟達文西一樣,提出許多問題。

問題:淚珠的形狀,和飛行有什麼關係?下圖的形狀,好像淚珠的一側。

看到這種形狀,是否讓你聯想到它與飛行的關係呢?翼型會聯想到噴射機的機翼或鳥翼的形狀。

圖/天才達文西的科學教室答案:這就是翼型。

淚珠的形狀,我們稱為「翼型」。

這樣的造形,可能讓你想起噴射機的機翼或鳥翼的形狀。

翼型的前端是較厚的圓弧,後端則逐漸變薄、變窄。

飛行中的翼型向前挺進,空氣分子往上也朝下移動。

翼型下方的空氣分子,移動的速度慢於上方滑過的空氣分子。

空氣分子移動速度較慢,造成的氣壓就比較大。

想像一下:翼型下方的空氣,等於處在被壓縮的狀態,翼型下方,較強的氣壓向上推,造成的力量稱為「升力」。

模擬飛行中翼型的空氣分子移動狀態。

圖/天才達文西的科學教室受到鳥類的啟發看到鳥翼的切面,居然就是翼型,你是否大吃一驚呢?說穿了,航太工程師就是從飛行中的鳥類得到靈感。

移動的翼型會切過空氣,與周圍的空氣產生了力的作用。

空氣分子——渺小不可見卻能施展強大的力量,從四面八方擠壓著翼型。

翼型向前移動的時候,因為與空氣產生了交互作用而起飛。

將書本平放在桌上一隻手塞到書本下方,然後把書托起來。

你的手在書下施展的壓力,就像慢速通過翼型下方的高壓。

另一方面,通過翅膀上方的空氣,移動速度較快,形成了較低的氣壓。

空氣分子在機翼上的賽跑讓我們進一步調查問題:通過翼型上方的空氣,是否因為空氣要通過的距離較長,因此速度才會變快?答案:根據美國的國家太空總署(NASA)工程師分析,機翼上方空氣的速度很快,只是為了比下方空氣更早抵達機翼後方,而不是因為距離較長。

機翼上方的低壓空氣,其實速度更快!畫出


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