基于伯努利方程对纸飞机飞行距离尽量远投掷出手角度的研究

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  摘要:如何让纸飞机飞行的更远,这一问题,一直是纸飞机爱好者正在追寻的,纸飞机的飞行距离往往受多种因素的影响,比如投掷者的心理因素,天气状况,投掷者使用力的大小,由 John Collins制作的名为 Suzanne的纸飞机,飞行距离长达 69米之多,本文将探索投出手以何种角度,以使飞行距离尽可能远。
  关键词:伯努利方程;飞行距离;投掷角度
  前言
  从儿时就玩过纸飞机的我们,总喜欢哈一口气,然后扔出纸飞机,纸飞机就像是承载了我们的祝福,飞的很高很高,后来,我们才明白,哈气后的纸飞机头部会覆盖一层水膜 ,从而形成膜效应,这样会使纸飞机在飞行时与空气的磨擦系数变得很小,空气阻力小了,纸飞机自然就飞的远了。
  1. 模型假设
  基于纸飞机飞行环境的有效性,对纸飞机飞行时做出如下假设:
  (1) 假设纸飞机在顺风情况下飞行
  (2)假設纸飞机的制作材料和纸张大小一样,210mm×297mm每平方米纸70克
  (3)假设折叠纸飞机时手指干燥,干净
  (4)假设折叠的纸飞机所有折痕一次成功
  (5)假设机翼、机尾折叠对齐
  (6)假设扔不同纸飞机的手用力大小一样而且适中
  2. 符号说明
  ①M :一个纸飞机的质量 ②v :流体的速度 ③h :铅垂高度 ④C :常量 ⑤a :扔出纸飞机时与水平所成夹角 ⑥F 推 :扔纸飞机者用的力 ⑦G :纸飞机在空气中所受的重力大小 ⑧K:空气阻力与速度的相关性系数 ⑨V0 :扔纸飞机时纸飞机具有的初速度 ⑩t :纸飞机飞行时间。
  3.模型建立
  3.1运用伯努利方程模型解决纸飞机投掷出手角度问题
  3.1.1伯努利方程模型简介
  流体在忽略粘性损失的流动中,流线上任意两点的压力势能、动能与位势能之和保持不变。
  3.1.2利用伯努利方程分析纸飞机速度与压强的关系
  根据伯努利方程,可以得出,流动中速度增大,压强就减小;速度减小, 压强就增大;速度降为零,压强就达到最大。纸飞机机翼产生举力,就在于下翼面速度低而压强大,上翼面速度高而压强小 ,上下的压强差,使纸飞机向上飞,因而合力向上。
  3.1.3根据速度与压强的关系分析水平抛出飞机在空中受力状况
  当扔飞机者以一定扔出纸飞机时,纸飞机受到人给他的推力,在空气中受到空气阻力,受到向下的重力,向上的举力。
  竖直方向第一阶段:
  速度和加速度同向,都向上,速度增加,加速度减小。
  纸飞机在飞行时,由于竖直方向上具有上的初速度,因此在竖直方向上纸飞机会向上飞行,此时,加速度a和速度v都向上,因此纸飞机在竖直方向上的速度v也会不断地增加,由伯努利方程可以知道,这个时候纸飞机下方的空气流速也在增大,纸飞机上下方的压强差在不断的减小,因此纸飞机在竖直方向的加速度 a是减小的。
  竖直方向第二阶段:
  速度和加速度反向,加速度向下且增加,速度向上且减小。
  一直到纸飞机的上下压强差小于纸飞机的重力时,这个时候,纸飞机的加速度 a在竖直方向上不再向上,改为向下,这个时候纸飞机在竖直方向做速度与加速度反向,并且反向加速度a逐渐增大,因此在这个阶段,速度 v会向上但是不断减小,直到速度 V=0 竖直方向第三阶段:
  速度和加速度同向都向下,且都不断增加。
  当速度 v=0的时候,纸飞机受到的空气的压力增大,此时速度和加速度都向下,纸飞机在竖直方向上开始做竖直向下的加速运动,这也就意味着,纸飞机离快要落地不远了。
  3.1.4计算纸飞机在空中飞行的时间并得出结论
  通过一系列的分析计算可以得出,纸飞机的飞行距离受多个因素的影响,飞行前的初始速度、推力的大小,空气中的摩擦力,推力与水平方向所成的夹角,都会影响纸飞机的飞行距离,我们将研究在其他变量一定时,通过改变扔纸飞机者与水平方向所成夹角, 进而让纸飞机飞行尽可能远的距离。
  所以为了让飞行距离X足够大,在初始速度 V0一定的情况下只要让(kv0^2-F推 cosa) 足够小就可以,只要让F推 cosa足够大就可以,当F推一定时,cosa足够大,由 cosa 的图像变换公式,可以得出,当 cosa=0时,cosa最大,因此,可以得出结论,当其他条件一定时,水平抛出,纸飞机飞行的距离尽可能远。
  3.1.5伯努利方程的推广
  世界上最远的风筝是苏珊纸飞机,飞行距离为 226 英尺 10 英寸,也许你会觉得这个距离不是很远,但是要知道当年莱特兄弟第一次开纸飞机时,飞行距离是 36米,如何让纸飞机飞行的更远,一直是纸飞机爱好者不断探索的问题,但是让纸飞机飞行的更远,与许多因素有关,比如扔纸飞机者的心理素质,扔纸飞机的高度,扔纸飞机的角度等等,本文通过伯努利方程模型的建立,为今后扔纸飞机的应用了提供了很好的理论依据。
  参考文献:
  [1]伯努利方程 https://baike.so.com/doc/5355750-5591223.html2019年 4月 2日.
  [2]王惠民 流体力学基础 出版地:清华大学出版社,2005-10-1:105.
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