维基百科:台湾教育专案/台大物理系服务学习/112-2/压力中心 (流体力学)
在流体力学中，压力中心是物体上的一个点，并且作用在该点上的单一个力可以表示压力场在物体上的总效应。作用在压力中心的力是压力向量场在物体表面上的面积分。合力与压力中心产生的力和力矩等效于原本的压力场。
压力中心的概念在流体静力学与流体动力学中均有出现。如果有压力中心、参考点以及压力中心上的力，就可以计算对任意点的力矩，只需将参考点平移到新的点上。在一般情况，压力中心在物体上；但在流动的液体中，施加在物体上的力矩可能使压力中心在物体之外。[1]
流体静力学中的例子 (水坝)
因为在水坝中是静力，压力的大小随深度线性变化。将压力乘上水坝的宽度并积分，就可以得到作用在水坝上的力。压力中心在三角型压力场的几何中心，从水面到底部的 处。在某点附近的力和力矩可以由压力中心和总体的力计算。
帆船中的应用
在帆船的设计里，会使用压力中心来表示船帆上空气动力聚集的点。
帆上的空气动力压力中心与船体上的流体动力压力中心（称为侧向阻力中心）的关系决定了船在风中的行为。在航海术语中称为舵，分为迎风舵和背风舵。少数水手认为，迎风舵是更理想的状况，但大多数水手更喜欢中立的舵。
产生舵的原因，是帆面压力中心与船体横向阻力中心的位置关系。如果压力中心位于侧向阻力中心的后方，会产生迎风舵，船舶倾向于逆风行驶。
如果情况反过来，压力中心在侧向组力中心前面，则会产生背风舵。如果有过大的迎风舵或背风舵都是不理想的，因为舵手必须保持舵偏转来对抗它，这会造成额外的阻力。[2]
飞机的空气动力学
不仅在航行中，飞机设计中也需要保持稳定。因此，飞机设计同样使用了压力中心。就像帆一样，刚性的非对称翼型不仅产生升力，而且产生力矩。飞机的压力中心是所有压力场都可以由单一力向量表示的点，并且不产生力矩。[3][4] 类似的想法是空气动力中心，它是机翼上的点，其中空气动力产生的俯仰力矩随攻角保持恒定。[5][6][7]
空气动力中心在所有飞行器的纵向稳定性分析中扮演重要角色。当飞机的俯仰角和迎角受到干扰（例如，受到风切/垂直阵风）时，飞机可自动返回到其原始的俯仰角和攻角，而无需飞行员或自动驾驶仪控制。为了让飞机在没有飞行员或自动驾驶仪输入的情况下返回其配平姿态，它必须具有纵向稳定性。[8]
导弹的空气动力学
通常，导弹有对称的翼型。由于在小攻角下，对称翼型的压力中心相对恒定，因此导弹工程师通常会使用整个飞行器的完整压力中心以进行稳定性和控制分析。在导弹分析中，压力中心通常定义为，由于攻角的变化而产生的附加压力场的压力中心。[9]
对于一般火箭，配平位置通常使攻角为零。压力中心定义为，由非常小的攻角产生的气流场在整个飞行器上的压力中心（即压力中心在攻角接近零时的极限）。为了使导弹具有稳定性，上述的总压力中心必须比重心距火箭前端更远。在攻角较低的火箭中，对压力中心的贡献主要由前端、机翼和尾翼决定。当计算用来表示压力中心的几何中心时，可以使用归一化正向力对攻角的导数，再乘以压力中心的位置。气流流场的压力中心位于重心后面，附加力指向附加攻角的方向；这会产生一个力矩，将火箭推回配平位置。
如果是导弹，尾翼可以调整不同攻角调整飞行器，压力中心是在未偏转尾翼位置的攻角下气流场的压力中心。为了保持导弹的稳定性，压力中心必须比重心更靠后。这样一来，当攻角增加时，产生的任何力都会使回复力矩增加，将导弹推回原位。
压力中心在空气动力场中的移动
在对称翼型上，压力中心通常位于翼型前缘后方，弦长的 25% 处(称为四分之一弦点)。对于对称翼型，随着攻角和升力系数的变化，压力中心不会移动。[10] 当攻角小于失速角时，压力中心仍保持在四分之一弦点附近。压力中心在飞机控制中的作用与导弹中的作用不同。
在有弧度的翼型上，压力中心不会保持在固定的位置。[11] 对于传统的弧形翼型，压力中心在最大升力系数（大攻角）时位于四分之一弦点后面一点，但随着升力系数减小（攻角减小），压力中心向后移动。[12] 当升力系数为零时，机翼不会产生升力，但传统的弧形机翼会产生机头朝下的俯仰力矩，因此压力中心的位置位于机翼后面无限远的位置。
对于反射弧翼型，在最大升力系数（大攻角）时，压力中心位于四分之一弦点之前一点，但随着升力系数减少（迎角减少），压力中心向前移动。当升力系数为零时，翼型不产生升力，但反射弧翼型会产生机头向上的俯仰力矩，因此压力中心的位置位于翼型前方无限远的位置。在反射弧翼型上，压力中心的这种移动方向具有稳定作用。
压力中心会随着升力系数变化而移动，使得在飞机纵向稳定性的数学分析中很难使用压力中心。因此，在进行数学分析时使用空气动力中心要简单得多。空气动力学中心占据机翼上的固定位置，通常靠近四分之一弦线。
空气动力中心是纵向稳定性的概念起点。水平稳定面提供了额外的稳定性，这使得重心可以位于空气动力中心后方一小段距离，而飞机不会影响稳定。飞机具有中立稳定性的重心位置称为中立点。
参见
注释
- ^ Flightwise Volume 2 Aircraft Stability and Control, Christopher Carpenter 1997, ISBN 1 85310 870 7, p.75
- ^ Marchaj, C.A. (1985). Sailing Theory and Practice, Revised edition. Putnam. ISBN 978-0-396-08428-0
- ^ Clancy, L.J., Aerodynamics, Section 5.3
- ^ Anderson, John D., Aircraft Performance and Design, Section 2.3
- ^ Preston, Ray. Aerodynamic Center. Aerodynamics Text. Selkirk College. 2006 [2006-04-01]. （原始内容存档于2006-02-21）.
- ^ Clancy, L.J., Aerodynamics, Section 5.10
- ^ Anderson, John D., Aircraft Performance and Design, Section 2.5
- ^ Clancy, L.J., Aerodynamics, Sections 16.1 and 16.2
- ^ Moore, F.G., Approximate Methods for Weapon Aerodynamics, AIAA Progress in Astronatuics and Aeronautics, Volume 186
- ^ Anderson, John D. Jr (1984) Fundamentals of Aerodynamics, Section 4.7, (p.211), McGraw-Hill. ISBN 0-07-001656-9
- ^ Clancy, L.J., Aerodynamics, Section 5.6
- ^ Clancy, L.J., Aerodynamics, Section 5.11
参考文献
- Hurt, Hugh H. Jr. Aerodynamics for Naval Aviators. Washington, D.C.: Naval Air Systems Command, United States Navy. January 1965: 16–21. NAVWEPS 00-80T-80.
- Smith, Hubert. The Illustrated Guide to Aerodynamics
2nd. New York: TAB Books. 1992: 24–27. ISBN 0-8306-3901-2. - Anderson, John D. (1999), Aircraft Performance and Design, McGraw-Hill. ISBN 0-07-116010-8
- Clancy, L.J. (1975), Aerodynamics, Pitman Publishing Limited, London. ISBN 0-273-01120-0
