滑翔机的例子更加经典,经验丰富的飞行员会寻找上升气流,如热风,从而引导飞机在空中上升。在这种情况下,风的阻力可以有一个向上的分量,增加了抬升作用,从而参与了滑翔机的上升。滑翔的鸟类,如海鸟和猛禽(图9),广泛使用这些方法,以减少它们的飞行能耗。
图10. 在静止空气中飞机滑行时的力分解。重力Mg投影在垂直于轨迹的分量为Mg cosα,通过升力进行平衡,而驱动分量沿着轨迹Mg sinα,通过阻力平衡。 因此,下降斜率tanα是阻力与升力之比,与升阻比相反。(图中portance 垂直方向,trainee 轨迹方向,trajectoire 轨迹,poids 重力)
我们已经知道,升力和阻力与速度的平方成正比,它们的比值称为升阻比,它与滑翔机在静止空气中下降斜率互为倒数,如图10所示。那么,滑翔机在倾斜的平面上下降时,推动滑翔机的是重力Mg沿轨迹投影的分量,而其横向分量则由升力来平衡。效率最高的滑翔鸟–信天翁的滑翔比(升阻比)为20,与空客A320等客机相当,后者的滑翔比为17。现代滑翔机做得更好,其升阻比约为50。在静止空气中,这样的滑翔机仅需要下降2000米,就可以滑行100公里的水平距离。
因此,飞行物体的速度受到如下限制的约束:升力必须平衡重力,但是可能的调整范围取决于相对于轨迹的倾斜角。一架轻而大的滑翔机可以缓慢飞行,并利用上升的气流而上升。另一方面,为了飞得更快,飞机必须设计一个更小的翼展,但代价是更高的能量消耗。另一种策略是飞得更高:在1万米的高空,空气的密度比地面上低3倍,由于阻力和升力与速度的平方成正比,为了获得同样大小的力,速度需要增大到原来的√3≃1.73倍。
5. 提高效率
5.1. 灵感来自于动物