大家平時在搭乘飛機得時候，有沒有注意到一個奇怪得現(xiàn)象，那就是飛機在降落前，會在跑道上“耽擱”很長時間，這是為什么呢？
實際上，這是一種著名得物理現(xiàn)象，并且還被用于制造被稱為“怪物”得軍用飛行器。今天我們就一起來了解一下每位乘客都曾遇到過，但很少有人了解得“地面效應(yīng)”（ground effect）。
地面效應(yīng)：飛機在降落時難以著地，起飛時難以升空，常常要在跑道上“漂浮”很長時間。
美國海軍學(xué)院（US Naval Institute）介紹，在起飛和降落時，飛機常常要在跑道上“漂浮”很長時間，這就是地面效應(yīng)得作用。
那么，地面效應(yīng)是什么原理呢？地面效應(yīng)主要來自于阻力得減少和升力得增加。
翼尖渦流
飛機在飛行時，遇到得一大阻力是機翼末端得翼尖渦流。根據(jù)美國China航空航天局 (NASA)，當(dāng)飛機貼近地面或水面得時候，翼尖渦流遭到破壞，阻力就會減少。這種由翼尖渦流破壞帶來得阻力降低被稱為翼展主導(dǎo)得地面效應(yīng)（span dominated ground effect）。
接近地面時，翼尖渦流（圖中圈圈）被破壞，因此阻力下降。US Naval Institute
此外，飛機在離地面很近得地方飛行時會遇到一個氣墊，這個氣墊也被稱為隱形得“上帝之手”，它為飛機提供了一股強大得升力。這個貼近地面時獲得得空氣系技能增強也叫沖壓效應(yīng)（ram effect）。
早在20世紀20年代，飛行員們就已經(jīng)通過一手得飛行經(jīng)驗了解地面效應(yīng)了。1934年，美國China航空委員會（NACA）得一份技術(shù)報告“Technical Memorandum 771”就指出了地面效應(yīng)對飛機起飛和降落得影響。
一些飛行員甚至故意借用地面效應(yīng)戰(zhàn)術(shù)省油低飛。比如，1930年德國巨型飛艇 Dornier DO-X 在飛躍大西洋時就利用了地面效應(yīng)。而在二戰(zhàn)時，當(dāng)飛機沒油或者引擎故障時，一些飛行員就會在海面低飛，借助地面效應(yīng)讓飛機飛得持久一些。
德國巨型飛艇 Dornier DO-X。wikipedia
這樣加血加魔得誘人物理規(guī)律軍方自然不愿意放過。20世紀60年代，前蘇聯(lián)和德國都在積極研發(fā)利用地面效應(yīng)得飛行器——地效飛行器。
1967年，當(dāng)前蘇聯(lián)研發(fā)得地效飛行器 Ekranoplan 得原型機出現(xiàn)在里海時，美國得情報部門大受震撼。
當(dāng)美國中央情報局（CIA）得分析師看到 Ekranoplan 得衛(wèi)星照片時，搞不清楚它到底是船還是飛機，因為它得噸位和船一樣大，超過當(dāng)時已知得任何飛機，但機翼又很小，而且還能高速飛行（蕞高速度為560–740千米/小時）。因此，他們給這種“元祖”地效飛行器取了個綽號——“里海怪物”（the Caspian Sea Monster）。
由前蘇聯(lián)研發(fā)制造得倫級地效飛行器 Ekranoplan，編號MD-160，Ekranoplan 常被稱為“里海怪物”。wikipedia
里海怪物得優(yōu)勢顯而易見，它可以以飛機得速度運行，載重卻和輪船一樣，因此“里海怪物”地效飛行器也常被稱為“航空母艦得殺手锏”和“突擊登陸得理想工具”。
“里海怪物” Ekranoplan 在海面測試得影像。
那么，為什么我們現(xiàn)在沒有看到成熟得軍用或民用地效飛行器咧？
首先，地面效應(yīng)得優(yōu)勢反過來說也是它得劣勢：地效飛行器只能在貼近地面或水面得高度飛行，這個高度一般是在機翼長度得15%以內(nèi)，在遇到障礙物時地效飛行器不能硬抗，通常只能繞過，很容易因為地面或水面得異常凸起而倒地不起。
此外，早在1926年美國China航空委員會（NACA）就在第265號報告中指出，地效飛行器飛行器得另一大技術(shù)難點在于，一旦飛離地面或水面，地效飛行器很容易莫名傲嬌昂頭，也就是縱向穩(wěn)定性比較差（longitudinal instability）。這個問題直到現(xiàn)在還在困擾著研發(fā)人員們。
里海怪物MD-160已經(jīng)失修30年，現(xiàn)在擱淺在里海邊上。
正是這兩個劣勢限制了地效飛行器得擴散。現(xiàn)在在民用領(lǐng)域只有極少數(shù)地效飛行器在市場上“登陸”。
由新加坡 Wigetworks 公司研發(fā)得能搭載6-8名乘客得現(xiàn)代地效飛行器 Airfish 8原型機試飛。
不過，地面效應(yīng)得一個反向“雙生子”卻早被用在了競技領(lǐng)域。
剛才說到，飛機接近地面時會難以下降，實際上如果改變機翼得造型，卻可能出現(xiàn)被地面吸住情況。
一些賽車底部凸起，形成了文丘里管，制造了一個低壓區(qū)（紅色）。steemkr
當(dāng)機翼下部是凸起得形狀，飛機就有可能被大地“吸住”。這是因為，這時凸面得機翼和地面之間形成了文丘里管，由于伯努利定律，此時機翼下方會出現(xiàn)一個低壓區(qū)。
文丘里管得窄處氣體流速更大，氣壓更低。wikiwand
這個現(xiàn)象碰巧也叫“地面效應(yīng)”(ground effect)，并在20世紀70年代被F1賽車俱樂部發(fā)掘。
我們知道車輛在轉(zhuǎn)彎時要降低速度，不然很容易翻車。不過，如果車子能“吸”在地面上，轉(zhuǎn)彎時就不用減速了。能吸在地面上得賽車可以在過彎時撇下“抓地力”不強得對手，輕松實現(xiàn)彎道超車。
20世紀70年代，蓮花F1車隊就開始研發(fā)利用賽車下盤文丘里管得加速“皮膚”。從支持中可以看到，蓮花78賽車底部是凸面，和地面形成了一個文丘里管，產(chǎn)生了一個低壓區(qū)，從而被吸在地面上。
蓮花79和80底部得文丘里管造型。formular1
后來蓮花78得改良升級版79在1978年拿下了總第一名。其他車隊看到后紛紛效仿，F(xiàn)1賽車一時間演變成了地面效應(yīng)得裝備戰(zhàn)。
不過和飛機版得地面效應(yīng)類似，賽車得地面效應(yīng)也危機重重。當(dāng)文丘里管得氣密性被破壞，“抓地力”會突然松脫而導(dǎo)致車輛失控。比如在1982年得荷蘭大獎賽時，名車手瑞內(nèi)?阿爾努(René Arnoux)得賽車失控摔向輪胎墻就是車輛底部得文丘里管失效引發(fā)得。
1982年荷蘭大獎賽上瑞內(nèi)?阿爾努(René Arnoux)得車禍。
因此在1983年，F(xiàn)1管理機構(gòu)（FISA）決定限制地面效應(yīng)，規(guī)定各車隊得底盤必須要平，不得再使用“氪金皮膚”來使賽車得到地面效應(yīng)。
總而言之，這兩個“接地氣”得地面效應(yīng)雖然都被高端玩家玩出了花，但是也能要人命吶。
- 那是什么魔法飛機？
- 伏地魔。
參考資料：
docs.qq/doc/DVG55ekFLYXpZQmNN
凡本公眾號感謝、引用得文章 、支持、音頻、視頻文件等資料得感謝歸感謝所有人所有，因此產(chǎn)生相關(guān)后果，由感謝所有人、原始發(fā)布者和內(nèi)容提供者承擔(dān)，如有請聯(lián)系刪除。
把科學(xué)帶回家
