[去科技馆学科学]气流的神奇力量

空气在流动过程中可以产生力的作用，出现很多有趣的现象。各种利用气流的设计，也是工程技术领域的重要成果。《义务教育小学科学课程标准》中要求学生理解“有的力可以通过看不见的物质施加在物体上”，认识到“工程是运用科学和技术进行设计，解决实际问题和制造产品的活动”，空气无色无形，发生作用的过程比较抽象，无法直观认识，而中国科技馆的几件展品给学生们提供了形象化的体验机会，可以更方便地了解气流产生的力的作用，以及飞机和风力发电这两种利用气流的技术应用范例。

空气炮

《西游记》中有一段铁扇公主的故事，神通广大的孙悟空第一次去借芭蕉扇时，被宝扇的风一下子吹出5万多里外，这可能是关于气流力量的最夸张的描述了。这种扇风形成的力，是空气传递力量的最直接形式，我们夏天使用的电风扇就是这样工作的。但有时候空气并没有真正运动到远处，而只是通过振动将能量传递过去。

图1　展品“空气炮”

中国科技馆“科学乐园”展厅中有件叫“空气炮”的展品，它看上去像是一个竖直放置、底面有个大洞的鼓，当观众用力拍打鼓面后，能看到前方5米外的猫头鹰模型身上的亮片开始晃动，从而体验到振动在空气中的传播。这是因为拍打鼓面时候，鼓皮变形使内部的空气被压缩和复原，产生往复振动，这种振动从洞口一直向前传递，使前方的空气形成疏密交替的压力波，到达目标处的铝箔条，将压力传给铝箔条，驱动铝箔条发生抖动。这种压力波在空气中传播的过程和声波类似，属于纵波，即波的前进方向与质点的振动方向在一条直线上。

中国科技馆的精彩科普剧《皮皮的火星梦》中还设计了一个大型空气炮，可以发射出水雾组成的环状烟圈，每次演出时效果特别震撼，给现场观众留下了深刻印象。

机翼升力

很多同学都会好奇为什么飞机能飞上天，它的升力从何而来。解答这个奥秘的关键在于飞机的翅膀——机翼，飞机的升力绝大部分由机翼产生。

现代飞机的机翼形状并不是上下对称的，而是向上凸起的不对称流线造型。飞机前进过程中和空气发生相对运动，气流到达机翼前缘后，分成上、下两股气流，分别沿机翼凸起的上表面、平整的下表面流过，然后在机翼后缘重新汇合向后流去。机翼的气流从上面流过的路径较长，流速加快；而从机翼下表面流过的路径较短，气流流速相对较慢。根据伯努利原理（流体的流速越大，压强越小；流速越小，压强越大），机翼上方高速的空气压强要比下方低速的空气压强低，于是机翼上、下表面出现了压力差，垂直于相对气流方向的压力差的总和就是机翼的升力。这样重于空气的飞机就能借助机翼获得的升力，克服自身因地球吸引形成的重力，从而翱翔在蓝天上了。

图2　机翼的形状和升力原理

机翼的主要作用是产生升力，以支持飞机在空中飞行，同时也起到一定的稳定和操作作用。在机翼上一般安装有副翼和襟翼，操纵副翼可使飞机滚转，放下襟翼可使升力增大。机翼上还可安装发动机、起落架和油箱等。不同用途的飞机其机翼形状、大小也各有不同。

中国科技馆3层“交通之便”展区的展品“机翼升力”就展示了机翼获得升力的原理。在长方形展柜内放置了2个同样材质和大小的机翼模型，其中一片是标准机翼局部的模型，另一个则是一个规则的长方体扁翼模型。两个模型上都装有连杆，可以使模型在静态和运动时均保持水平姿态。观众按下按钮启动装置，展柜一端的风扇朝带有机翼模型和扁翼模型的小型风力通道送风。随着风速增大，机翼模型会在气流带来的升力作用下慢慢抬起，漂浮在空中；而扁翼由于不符合空气动力学，所以不会产生升力，只能保持在底部原位置。观众还可以通过调节风扇转速改变风力大小，在通道旁的仪表上观察机翼的升力数值。通过体验和思考，加深对机翼升力原理和气流作用效果的了解。

风车森林

我们旅行时经常遇到壮观的风力电站，感受广袤旷野中的现代景观，它们在发电过程中没有任何排放和污染，是真正的清洁能源。当前世界最大的风力机组轮毂高105米，每支叶片足有80米长，相当于一架波音747客机的长度。风力发电机的叶片也采用了类似飞机机翼的流线造型，可以说飞机机翼设计理论为现代风电产业作出了巨大贡献。

图3　展品“机翼升力”

风力发电机主要由塔架、机舱、叶片、定子和转子等主要部件及系列控制装置组成。当风以一定的角度吹向叶片时，从叶片背面流过的气流速度较快，而从腹面流过的气流速度较慢，根据伯努利原理，叶片腹背的气流产生压力差，形成指向叶片背面的“升力”使叶轮旋转，因此被称为“升力型叶片”。这个过程中将风的动能转变为轮轴转动的机械能，再通过发电机中的电磁感应将机械能转化成电能，经过优化设计，风能转化成电能的效率已可达到40%以上。

图4　风力发电机结构和原理

为适应变化的风向，风力发电机的机舱可以在塔架顶端旋转，使风机始终朝向风吹来的方向；同时每片叶片也可以旋转，根据风力大小和发电需求，以不同角度迎向气流并调节转速，保证发电效率，在不需要发电时还可以将叶片调至特定角度进入保护状态，不管风多大都不会旋转。

图5　展品“风车森林”

为什么通常看到的风力发电机都是3支叶片呢？这是因为经过测试，单支、2支叶片在同样风速下，转速会比3支叶片快很多，因此噪音和振动也很大，会带来很多工程问题；如果从3支叶片增加到4支、5支，理论上能利用更多风能，但由于阻力增加等原因，实际的能量转化率会降低，相对大幅提高的成本来说是不划算的。

我国的风力资源极为丰富，绝大多数地区的平均风速都在每秒3米以上，特别是东北、西北、西南高原和沿海岛屿，平均风速更大，有的地方全年三分之一以上的时间都是大风天气，这些地区发展风力发电是很有前途的。近年也兴起了海上风电建设，既不占用宝贵的陆地面积，还能利用海面风力稳定、地形平坦无遮挡、大型零件运输方便的优势。

中国科技馆4层有件“风车森林”展品，设置了1台可转动风机，观众可以启动风机，双手握住握把调整风力大小和方向，吹动前方安装的不同尺寸、不同类型的风力发电设备模型，驱动叶片旋转，发电后点亮LED灯，直观认识风能这种取之不尽、用之不竭的清洁能源，了解风力发电设备的主要结构和工作原理。

本文原载于《中国科技教育》2018年第1期“追踪”栏目，作者李赞。