【科普小知識】無人機怎麼飛起來?用簡單的高中物理就可以懂啦~

【我們為什麼挑選這篇文章】

無人機聽起來是很酷炫的新科技,但是真的沒有想像中那麼遙不可及。路易斯安納大學的物理學教授 Rhett Allain 用一些圖示和說明,分享了他是如何操作他的遙控無人機。原本以為無人機是利用多複雜的原理,看完以後反而有種知道了物理小常識的感覺,其實滿有趣的。

(責任編輯:謝秉芸)

物理課時間!爬升、轉向、側向飛行……有關無人機的原理你知道多少?

無人機的發展正處於風口,市場價格也不是很貴。我擁有一架,並用它來拍我的狗和其他一些東西。在下文,我要談到的是帶有四個旋翼的遙控型無人機,而不是科學家用來研究氣候變化且價格昂貴的大型無人機。

相比大型無人機,小型無人機操作起來很是方便。熟練的操作者可以使其往任意方向飛行,從而更好地滿足拍攝需要。那麼,無人機的飛行原理是什麼?

垂直運動

無人機利用旋翼實現前進和停止。力的相對性意味著旋翼推動空氣時,空氣也會反向推動旋翼。這是無人機能夠上上下下的基本原理。進而,旋翼旋轉地越快,升力就越大,反之亦然。

現在的無人機能夠做三件事情:懸停、爬升和降低。當懸停時,無人機四個旋翼產生的推力等於向下的重力。這非常容易理解。那麼如何實現爬升?增加四個旋翼的推力從而產生一個大於重力的向上的力。在該動作完成之後,無人機的推力可以相對減少,但為了使其繼續向上飛行,那麼仍必須保證向上的力要大於向下的力。使無人機降低的要求則相反:需要減少旋翼的推力速度,此時合力向下。

旋轉


如何使一個正在朝北飛的無人機掉頭向南飛?此時旋翼的運動原理又是什麼?

如圖所示,紅色的旋翼呈逆時針旋轉,綠色的旋翼呈順時針旋轉。當這兩組旋翼向相反方向旋轉時,無人機的總動力為零。角動力值與線性動力值很像,可以用角速度乘慣性矩計算得出。可以說,角動力取決於旋翼旋轉的速度。

假設紅色旋翼有一個值為正的角動量,而綠色旋翼有一個值為負的角動量,每個旋翼的值分為+2、+2、-2、-2,那麼此時所有的力加起來為零。無人機即能實現懸停。

而要使無人機向右轉,則需要降低旋翼 1 的角速度。但是,雖然來自旋翼 1 的推力缺失能使無人機改變運動方向,但與此同時向上的力不等於向下的重力,所以無人機會下降。那麼,如何使無人機在改變方向時保持高度不變?

降低旋翼 1 和 3 旋轉速度的同時,增加旋翼 2 和 4 的旋轉速度。此時旋翼的角動力仍然不為零,所以無人機能夠旋轉。而總力仍然等於重力,則無人機能夠保持在同一高度。由於向同一方向旋轉的旋翼角為對角,所以無人機仍然可以保持平衡。

向前飛行和側向飛行

無人機向前和向後的運動原理有什麼區別?其實沒有,因為無人機是對稱的。這同樣適用於側向運動。一架四輪無人機就像一輛每一面都可作為正面的車,所以了解如何向前也就解釋了如何向後或向兩側移動的問題。

那麼具體該如何操作?

增加旋翼 3 和 4 的旋轉速率,降低旋翼 1 和 2 的速率。此時,總推力與重量相等,因此無人機能夠保持高度不變。此外,由於一個位於後方的旋翼是逆時針旋轉,而另一個為順時針旋轉,所以增加的旋轉力仍然會為零,前方的旋翼情況相同。所以整體上無人機的方向不會改變。然而,無人機後部旋翼所增加的力會使其向前傾斜,因此應該稍微增加所有旋翼的推力從而產生一個淨推力,其中的一個分力可以用來平衡重量和向前運動的力。

學會使用計算機系統

操作無人機的每個動作都是通過改變一個或多個旋翼的轉速完成,為了用一個控制器控制全部旋翼要善用某種計算機控制系統。此外,無人機的加速器和陀螺儀可以對每個旋翼進行微調,從而進一步提高飛行的簡易性和穩定性。所以如果讓計算機系統完成所有的工作,那麼操縱無人機則相當容易。

理解無人機的飛行原理是不是很有趣?

(本文經合作夥伴 36 氪授權轉載,並同意 TechOrange 編寫導讀與修訂標題,原文標題為 〈科普!無人機這麼火,你知道它飛行的原理是什麼嗎?〉。)

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