纸飞机的空气动力学.docx
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纸飞机的空气动力学
纸飞机的空气动力学
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2007-2-44:
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01
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1.介绍
这里打算介绍关于纸飞机的空气动力学知识。
如果你想全面了解为什么飞机能飞行，为什么有时坠毁，可以参阅我的《世界记录纸飞机》和《孩童纸飞机》中的任何一本书。
本来打算在这里也用一个章节来写一些这方面的知识，但限于篇幅，不能写了。
希望这些内容不会过于专业性，其中一些细节可能比较复杂，但大多数原则是很简单明了的。
我的目标是高中生能理解大部分内容。
我希望能在不久的将来在我的网站上放一个全面的空气动力学介绍
了解纸飞机和真正的飞机飞行的基本原理很重要。
它们同样产生升力和拖力，并且同样会因此而稳定或不稳定。
但纸飞机不但外形看上去和真飞机不同，它的空气动力原理也和真飞机有不同之处。
这些不同点虽然不明显，但确实影响纸飞机的飞行。
2.为什么纸飞机很真飞机外形不同大多数真飞机有机翼、尾翼和机身（来承载飞行员和乘客）。
大多数纸飞机只是将纸折出一对翅膀和一个手可以握住、投掷的部分。
有以下几点理由来说明这种不同：
折纸时间
造成纸飞机和真飞机外形不同的主要原因是折纸飞机的人总想又快又简单地折出一个纸飞机。
加一个机尾或其他部分总需要将纸折更多次，有时侯还可能需要剪刀、胶带或胶水。
最简单的纸飞机就是一个飞行的翅膀。
不需要尾翼真飞机的水平尾翼有一个升降系统，飞行员可以通过旋转该系统使飞机抬头而缓慢飞行，或低头加速飞行。
纸飞机通过将翅膀后端边缘的纸折起而达到上升缓慢飞行或下降加速飞行的目的。
有一些真飞机没有尾翼也能成功飞行。
NorthropXB-35andB-2、贺顿兄弟的滑翔机都是很稳定，很好的飞行器。
许多人都以为飞机尾翼是必要的稳定器，但上面提到的飞机及成百万的纸飞机都证明没有尾翼飞机也能平稳。
飞机通过尾翼向前后不同的方向倾斜来保持飞机的稳定性。
飞机只有在重心点上时才能保持平衡，而这个重心点会因承载的人员和货物的多少，甚至燃料的多少而前后移动。
如果飞机的重心移到飞机的中点之后，飞机会不平稳，如果重心移到中点之前，又会过于平稳，需要更多的升力。
升降系统安装在尾翼比在机翼上更有效。
所以有尾翼的飞机比没有尾翼的飞机更好控制重心。
纸飞机的重心不移动，所以不需要尾翼。
尾翼也用来在飞机向下俯冲减缓速度时保持平衡，纸飞机飞行不需要减缓速度，所以也不需要尾翼来帮助保持平衡。
真飞机通常还有一个垂直尾翼，用来帮助保持方向。
这也叫方向稳定器。
纸飞机机身（就是你手拿着进行投掷的地方）的作用类似于真飞机的这个方向稳定器。
有时，将纸飞机的翅膀两端（翼尖）向上折有助于飞机的稳定。
纸飞机的机身和翼尖共同起到了令飞机稳定的作用，所以不需要垂直尾翼。
机翼的形状
纸飞机通常有短而粗的机翼，我们叫做“低”机翼。
从翼尖到另一个翼尖的距离叫机翼跨度，从机翼前端到后端的距离叫弦度。
跨度与平均弦度的比例就叫“展弦比”。
它是机翼的一个重要的特征。
对于亚音速飞机，增加“展弦比”，（即增大跨度或减小弦度）会减小飞机的拖力。
滑翔机的设计者就很重视机翼的拖力，所以用高“展弦比的翅膀（即大跨度，小弦度）。
现在说回纸飞机，精确地说应该是纸滑翔机，注意到它们的翅膀跟真的滑翔机非常不同，它们有低“展弦比”的翅膀。
这是因为以下这几点原因：
1.纸是一种很不结实的材料。
不能用来做高“展弦比”的机翼。
2.低“展弦比”翅膀比较容易折出来。
我们做纸飞机的一个原因就是做起它们来又快又容易。
3.纸飞机的滑翔性能并不十分重要，通常一个纸飞机能够飞过房间就已经够了。
“低展弦比”翅膀能够经受住较高的落地速度。
“低展弦比”飞机看起来飞得快，尤其在要掉头的时候。
其他形状
真飞机因为要完成飞行任务，所以受到各种空气动力学原理的影响，要飞行就必须做成那个样子。
而纸飞机最大的任务我想使给玩它的人带来乐趣。
所以它的形状可以说的无穷无尽的。
除了传统的纸飞机，我还做过其他形状的纸飞机。
例如在我书中提到的“环状飞机”，还有我1997年年历里面的X型飞机，从不同的角度看两个翅膀都是X型。
有些飞机看起来不能飞，但它们确实能飞起来。
如我的1997年年历里的恒星飞船，看起来象天外来客，但它能飞。
3.让纸飞机能飞得好的“秘密”是调整。
大多数人有一个错觉，认为好的纸飞机折好后，就不用调整了。
所有真飞机都有一个调节器，所有纸飞机也需要不断调整使它们飞得更好。
有一些基本的调整规则可以使一个玩纸飞机的新手变成一个专家。
下面就是一些窍门：
最常见之一的错误
就是纸飞机的翅膀向下，这减少了它侧面的稳定性。
所以要记住，折纸飞机要使它的两个翅膀的翼尖向上翘。
就是纸飞机的翅膀向下，这减少了它侧面的稳定性。
所以要记住，折纸飞机要使它的两个翅膀的翼尖向上翘。
飞机的平衡取决于它的重心，重心在中点上即平衡。
如果重心在中点之前，飞机将过于平衡，重心在中点之后则不平衡。
当然所有没有计算机控制的飞机都要求重心在中点之前。
对矩形翅膀的飞机，其中点是在飞机前端到尾翼四分之一处，对三角形翅膀的飞机，中点是在飞机前端到尾翼二分之一处。
飞机的稳定性只它一但受到干扰，能自动回复到初始状态。
飞行中的稳定性是指按一个速度飞行。
一个稳定的飞机上下振动的次数有限，并且有一个稳定的飞行速度。
许多纸飞机在设计上是稳定的，但仅仅稳定还不够。
因为我们要求它越来越稳定的同时，也希望它飞得越来越快。
这就需要一个升力。
很少有人意识到好的飞行稳定的飞机需要一个稍重一点的机头和一些升力。
许多老式纸飞机没有升力调节也能飞，有些飞得很好，但多数飞不好，并且稳定性很差。
我喜欢在老式纸飞机的机头加点东西来提升升力。
如果我有时间和材料，我喜欢贴几层胶带或干脆在机头别一个回形针来增加稳定性。
然后试飞几次，前后移动回形针的位置，找出最佳位置。
机翼的形状
大家可能注意到真飞机的翅膀上面是有弧度的，下面则是平面的。
有许多人问我为什么没有在我的书里提到将纸飞机的翅膀也做成有弧度的。
因为我发现纸飞机的飞行技能并不因平面翅膀而有很大的下降。
5.世界记录
我13岁时就创造了纸飞机飞行世界记录，现在仍在想尽量精确地说明纸飞机工作原理。
我总是试图“发明”新型飞机，这样折折，那样贴贴。
我喜欢在户外飞行纸飞机，看着我飞出去的飞机飞得又高又远。
我通读的吉尼斯世界记录这本书后的一、二年，我意识到我有打破纪录的能力，于是我开始改善我的纸飞机，我的投掷方法，以挑战记录。
我很幸运我的努力得到回报。
但我一直在不断学习、不断改善。
认识纸飞机的飞行阶段很重要，第一个是起飞阶段，我以每小时60公里的速度将飞机投掷出去，然后它慢下来，接着进入第二阶段，慢慢地稳定地滑翔。
Launchphase起飞阶段
Glidingflight滑翔阶段
Shortwingsbetter短翅膀好
Longwingsbetter长翅膀好
Heavybetter（thickpaper）厚纸
Lightbetter（thinpaper）薄纸
你可以用厚纸做一个短翅膀的飞机，它起飞快，飞得高，但滑翔不好，或用薄纸做一个长翅膀的飞机，它滑翔好，但不能用力投掷。
起飞阶段
窍门是尽量往高抛。
我的做法是垂直方向，以最快的速度扔上去。
投掷
垂直向上抛掷东西总不是非常自然地能完成的事。
如果你希望纸飞机飞得高并且自然过度到滑翔状态，一定要与垂直方向小于10的角度投出去，并且要尽可能地快。
不断重复
我前面提到过，我做的纸飞机不是每一个都能打破世界记录。
大多数纸飞机能飞10-14秒，可能10%能飞15-17秒，大约1%能飞行20秒。
我研究和不断实验的目的之一就是在不断重复的基础上做“好”纸飞机。
最好成绩的方法就是搞清楚其中的物理原理，然后想出解决的办法。
我发现有时物理学原理相当复杂，并且很难找到好的解决方法。
我想我正在进步，并希望能持续改善我做的纸飞机的性能。
做不同的纸飞机
有时我觉得自己落入俗套，因为20年来我一直致力改善同样设计的纸飞机。
我确实试图发明新的设计以挑战世界记录。
到目前为止，没有做出比以前好的，但我一直努力。
我想有许多更好的设计等待我们去发现，并且将来肯定能打破世界记录。
天气、英国、世界记录
室外的天气影响室内的飞行。
1996年我在英国伦敦参加BBC组织的纸飞机比赛。
我们比赛的大厅很大，很冷，外面下着雨。
纸飞机讨厌潮湿。
在雨天，纸飞机通常飞不好。
纸飞机飞了几次后，翅膀会“疲劳”。
问题是比赛中总要先试飞几次，来调整纸飞机的升力和稳定性。
那次我很幸运以秒的时间赢得比赛。
其他的选手也很棒！
我会不断完善我的纸飞机。
Newairfoil
纸飞机的历史
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2007-1-2818:
00:
07
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据纸飞机研究者介绍，鉴于纸是中国人发明的，而且几百年前中国人就用纸放起了风筝，所以一般认为纸飞机起源于中国。
伦敦大学“纸飞机协会”也认同这一观点。
“名副其实”的纸飞机是在飞机诞生之后才有的，而今能追溯到的最早年代是在1908－1909年——也就是莱特兄弟造飞机之后的五六年。
1950年，DC－03型纸飞机诞生，它的制作者宣称它是“世界上最好的纸飞机”。
DC－03拥有巨大的滑翔翼，和一个可能在所有纸飞机里独一无二的尾翼。
纸飞机的历史要追溯到第一张被抛掷到垃圾桶里的草纸说起。
第一次用纸制作飞行器的是在两千年前中国制造的风筝。
早期的热气球，例如在法国18世纪晚期，由Montgofier兄弟做的气球，他们是用纸来建造的，早期样式建造的气球都是用纸建造的，1783年第一个载运气球就是用布料标识的纸张做成的。
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