为了获得对空气动力学的新见解，科学家们将目光转向纸飞机

一组科学家研究发现，使用纸飞机进行的一系列实验揭示了新的空气动力学效应。它的发现增强了人们对飞行稳定性的理解，并可能启发新型飞行机器人和小型无人机相关设计。

纽约大学柯朗数学科学研究所副教授、该研究的作者Leif Ristroph解释说：“这项研究的起因，是对‘什么是好的纸飞机’问题的简单好奇，特别是平稳滑翔所需的条件。回答这些基本问题最终不是儿戏。我们发现纸飞机如何保持水平飞行的空气动力学与传统飞机的稳定性确实有很大不同。”

“鸟类可以毫不费力地滑翔和翱翔，如果调整得当，纸飞机也可以长距离滑翔，”康奈尔大学工程和物理学教授、另一作者Jane Wang补充道，“令人惊讶的是，没有好的数学模型来预测这种看似简单但微妙的滑翔飞行。”

研究人员表示，既然我们可以让复杂的现代飞机飞行，人们可能会认为我们已经对最简单的飞行机器了如指掌。“但纸飞机虽然制作简单，但涉及到令人惊讶的复杂空气动力学。”Ristroph指出。

该论文的作者通过考虑飞机平稳滑行所需的条件开始了他们的研究。由于纸飞机没有发动机并且依靠重力和适当的设计进行运动，因此它们是探索飞行稳定性背后因素的良好候选者。

为了研究这种现象，研究人员通过在空中发射具有不同质心的纸飞机进行了实验。研究这些纸飞机落入水箱中的结果，使团队能够设计出一种新的空气动力学模型，以及一种能够预测运动的“飞行模拟器”。

为了找到最佳设计，研究人员在纸飞机的前部放置了不同数量的薄铜带，使它们具有不同的质心位置。

“成功滑翔机的关键标准是质心必须位于‘恰到好处’的位置，”Ristroph解释说，“好的纸飞机通过将前边缘折叠多次或添加回形针来实现这一点，这需要一些尝试和试错。”

在实验中，研究人员发现飞行运动敏感地依赖于质心位置。具体来说，如果重物位于机翼的中心或仅从中间稍微偏移，则它会经历剧烈的运动，例如颤动或翻滚。如果重物向一侧移动得太远，那么飞行器会迅速向下俯冲并坠毁。然而，在两者之间，有一个质量中心的“最佳位置”可以稳定滑行。

研究人员将实验工作与作为“飞行模拟器”基础的数学模型相结合，这是一种成功再现不同飞行运动的计算机程序。它还帮助解释了为什么纸飞机在滑行中是稳定的。当质心处于“最佳位置”时，如果飞机向上移动，飞机机翼上的空气动力会将机翼向下推，如果向下移动，则将机翼向上推。

“空气动力或压力中心的位置会随着飞行角度而变化，以确保稳定性。”Ristroph解释说。

他指出，这种动态不会发生在传统的飞机机翼上，传统机翼翼型是可以产生升力的结构。“我们在纸飞机中发现的效果不会发生在用作飞机机翼的传统机翼上，其压力中心在飞行中发生的角度保持固定，”Ristroph说，“因此，压力中心的移动似乎是薄而扁平机翼的独特特性，而这最终成为纸飞机稳定飞行的秘诀。”

“这就是为什么飞机需要一个单独的尾翼作为稳定器，而纸飞机只需一个主翼就可以飞起来，同时提供升力和稳定性，”他总结道，“我们希望我们的发现对小规模飞行应用有帮助，在这种应用中，可能会是一种不需要大量额外飞行表面、传感器和控制器的最小设计。”