上百噸的飛機是如何起飛的，看完原理就懂了 #科普知識 #automobile #發明 #科学 #熱門

1903年 萊特兄弟發明瞭第一架飛機 直到今天 飛機已經發展得非常成熟 飛機能起飛最主要就是依靠機翼兩側的升力 但是就是這個升力的產生 工程師至今還在爭論不休 那麼升力到底是什麼呢? 弄清楚這個問題之前 我們必須先了解一下產生升力的機翼 機翼一般都是這種流線型的 除了飛機外 風力發電機葉片、螺旋槳葉片 甚至F1賽車的機身 都使用了這種設計 這種機翼設計究竟有什麼魔力呢? 這是一種常見的機翼類型 最前面的翼形稱為前緣 後面的翼形稱為後緣 在前緣和後緣之間連線 我們就得到了一條弦線 弦線與氣流方向之間的夾角稱為引角 在上表面和下表面中間劃一條線 我們就得到了中弧線 中弧線決定了機翼該如何彎曲 不同的弧線機翼也有所不同 弧度和引角是機翼的兩個非常重要參數 對升力的產生有很大的影響 現在我們就具體看看機翼是如何產生升力的 當流體在機翼周圍流動時 會產生兩種不同類型的硬力作用於機翼表面 一種是減硬力 減硬力作用於機翼表面 由於流體的粘性 會產生摩擦力 還有一種是壓力 它們垂直於機翼表面 減硬力和壓力會在機翼周圍形成壓力分佈 從而形成升力 但是由於減硬力與機翼平行 會產生阻力 對升力的貢獻不大 所以可以忽略不計 這裡我們主要講解氣流壓力所引起的升力 問題是壓力從何而來呢 這個問題的答案非常複雜 主流的解釋有兩種 一種是伯努利原理 另外一種是牛頓第三定律 伯努利原理的主要解釋集中在流體的速度上 流體在機翼周圍流動時 會產生一個流速為0的點 稱為停滯點 流動在停滯點以上的流體 比流動在停滯點以下的流體速度更快 我們通過流體粒子的移動 可以很清楚看到這種速度的差異 然後再根據伯努利原理 流體的速度增加時 壓強就會減小 這意味著 機翼上方會產生一個較低的壓力區域 而下方會產生一個較高的壓力區域 這種壓力差 就會產生一個向上的升力 但是伯努利原理並不能解釋 機翼上方的高流速是如何產生的 也不能解釋為什麼 機翼上部高速流動的空氣 會形成更低的壓力 而不是更高的壓力 所以科學家試圖用另一種理論 來解釋升力的來源 那就是牛頓第三定律 當流體通過機翼時 機翼的前方會產生向上的氣流 而機翼的後方會產生向下偏轉的氣流 這個下壓的氣流 會在機翼產生一個向下的作用力 根據牛頓第三定律 作用在機翼上的力 會產生一個大小相等 但是方向相反的作用力 而這個作用力恰恰就是升力 但是牛頓第三定律也是一樣 它並不能解釋 機翼上部為什麼產生的是低壓區 無論是伯努利原理還是牛頓第三定律 從各自的角度出發 它們都是正確的 只是這兩個理論 都無法完整地解釋升力 但是通過這些理論基礎 我們可以不斷地優化機翼 以便產生更大的升力 我們可以增加翼形的弧度 以便偏轉更大的流體量 從而增加升力 我們也可以增大引角來增加升力 但是有個問題需要注意 一旦引角達到某個臨界值 升力會突然減小 因為翼形周圍的壓力分佈會受到影響 這導致升力降低 阻力反而增加 升力的突然下降被稱為失速 這對飛機來說是非常危險的 另外不同的翼形形狀 會產生完全不同的升力 比如特技飛行飛機通常使用對稱的機翼 因為這樣可以使飛機更容易倒立飛行 現代飛機的機翼都配備了襟翼和鳳翼 可以在飛行的不同階段進行優化和調整 在起飛時需要更大的升力 所以可以打開襟翼 以增加機翼的受力面積 從而增加升力 當飛機開始巡航時 襟翼就可以收回 以減小阻力 從而減少燃油消耗 想拿個諾貝爾物理學獎有多簡單 拿個透明膠帶 在石墨上粘了絲絲了粘 就能去瑞典發表獲獎感言了 英國的兩位教授就是通過膠帶粘石墨 然後扯出來了石墨烯 石墨烯被譽為新材料之王 我們常用的鉛筆裡面的筆芯就是石墨 石墨被剝離到只有單層結構時 就是石墨烯 石墨烯呈蜂窩狀金格結構排列 只由一層原子組成 是有史以來最薄但最堅硬的材料 厚度只有0.33奈米 一張紙的厚度約為0.1毫米 想要得到跟這張紙一樣厚度的石墨烯 需要30萬層石墨烯疊加在一起 另外石墨烯非常的輕 每平方米只有0.77毫克 一張覆蓋整個足球場面積的石墨烯的重量不到1克 它的抗拉強度為130GPa 比結構剛強約200倍 同時石墨烯也非常柔韌 可以拉伸到初始尺寸的20%而不會破裂 氦原子都無法穿過石墨烯層 這使得石墨烯對大多數氣體和液體都高度不滲透 石墨烯也是一種優良的導電體 它的電阻比銅還要低35% 此外石墨烯也是一種比銅更好的熱導體 在室溫下的導熱性幾乎是銅的5倍 並且石墨烯還有97.3%的透光率 石墨烯這些強悍的機械性能 加上它的輕薄 使得石墨烯非常適合製作複合材料 大到像跑車、飛機、宇宙飛船 小到像羽毛球拍、滑雪板、自行車輪轂和車架 運動眼鏡以及防彈背心 都有石墨烯材料的身影 另外由於石墨烯極薄 電子可以光速穿過它 通過取代矽基金體管 計算機有可能將速度提高數千倍 石墨烯具有高導熱性 也使得石墨烯成為計算機器件散熱的一個很好選擇 iPhone的納米外殼 使用了石墨烯薄膜 能迅速散發手機內部多餘的熱量 國內的華為手機也使用了這項技術 石墨烯也使得在柔性塑料上製造電路成為可能 另外在新能源領域 石墨烯也能大展身手 想要得到石墨烯也不是很困難 用膠帶粘在鉛筆的石墨筆芯上 然後撕開 就能得到多層石墨 經過無數次的重複操作 就能最終得到只包含一層原子的石墨烯 這種生產石墨烯的方法比較粗糙 被稱為機械玻璃 只適合在實驗室中生產石墨烯樣品 並不能在工業製造中大規模生產 但是一種叫做化學氣象沉積的方法 可以生產出大量的石墨烯 將氣體如假丸 放入一個封閉的容器 在基底上加熱 就能形成一層石墨烯 還有一種方式是通過較熱閃蒸技術 電容器組在高壓下放電 在不到100毫秒的時間內 能將含碳的物質溫度升高到2700多攝氏度 這種方式可以生產出高質量的石墨烯 到目前為止 石墨烯的製造成本依舊比較高 想要規模化生產 還需要做出很大的努力 沒有EUV光刻機也可以製造5納米芯片 近期佳能推出了一個納米壓印設備 可以替代EUV光刻機進行芯片製造 它是怎麼實現的呢 眾所周知 芯片內部極其複雜 一塊只加蓋大小的手機芯片 內部包含超過100億個晶體管 這些晶體管能夠製造出來 都離不開光刻機 我們先看看傳統的EUV光刻機是如何製造芯片的 芯片製造都離不開晶圓 在光刻之前 需要在晶圓表面塗上一層光刻膠 一切準備就緒後 就能開始光刻了 EUV光刻機最重要的就是光 這是一種極紫外光 在自然界是完全不存在的 必須通過EUV光刻機 用激光烘機金屬CD來產生 獲取到極紫外光後 還需要經過多層透鏡的反射 然後光線來到光眼模板 眼模板上雕刻的有集成電路 當光線通過眼模板時 會通過光學鏡片進行聚焦 然後就能將眼模板的電路 雕刻到晶圓的光刻膠上 那蠟米壓印技術又有什麼不同呢 跟EUV光刻機一樣 蠟米壓印也需要在晶圓上 塗上一層光刻膠 然後將晶圓放入相應的位置 接下來就是壓印 壓印跟我國古代的雕板印刷術類似 首先準備一個刻有電路圖的模板 然後將模板用力按壓到 塗有晶圓的光刻膠上 這樣模板上的電路圖 就像蓋印章一樣蓋到光刻膠上了 但是現代半導體芯片 都是由無數層堆疊電路組合而成的 這就需要極高的對齊精度 佳能開發的對齊技術 能通過測量精度小於1納米的位置 來糾正對齊偏差 電路圖印到晶圓的光刻膠上後 怎麼將模板分離出來呢 這就需要用到紫外光 紫外光照射到晶圓上後 會發生聚合反應 使得光刻膠固化 接著就能將眼模板移除了 但是想要移除眼模板 而不破壞電路是非常困難的 稍有不慎就會損耗電路 所以技術難度極高 納米壓印只是替代EUV光刻的步驟 其他步驟像刻石、離子注入 薄膜成機等工藝還是一樣進行的 也就是說納米壓印與這些工藝是完全兼容的 納米壓印技術比較擅長製造固態硬盤的 3D閃存振力芯片 以及計算機內存的DRAM芯片 但最終會過渡到對CPU等邏輯芯片的製造 在當下芯片行業面臨極大困難的情況下 納米壓印也成為突破芯片限制的不錯選擇