談氣壓對(duì)無(wú)人機(jī)操控的影響

范東辰

2017年7月，第十五屆全國(guó)中小學(xué)信息技術(shù)創(chuàng)新與實(shí)踐活動(dòng)在美麗的海濱城市青島舉行，我參加了學(xué)生賽項(xiàng)的無(wú)人機(jī)應(yīng)用技能挑戰(zhàn)賽高中組的比賽，最終獲得了無(wú)人機(jī)挑戰(zhàn)賽的全國(guó)一等獎(jiǎng)?？偨Y(jié)獲獎(jiǎng)的原因，主要是在大家水平相等的情況下，我注意到了氣壓對(duì)無(wú)人機(jī)操控的影響。

在不同的季節(jié)、不同的氣候條件和地理位置等條件下，大氣壓值是不同的。

地勢(shì)變化

從微觀角度看，決定氣體壓強(qiáng)大小的因素主要有兩點(diǎn)：一是氣體的密度n;二是氣體的熱力學(xué)溫度T。在地球表面隨地勢(shì)的升高，地球?qū)Υ髿鈱託怏w分子的引力逐漸減小，空氣分子的密度也隨之減小，同時(shí)大氣的溫度也降低。因此，在地球表面，隨地勢(shì)高度的增加，大氣壓的數(shù)值是逐漸減小的。如果把大氣層的空氣看成理想氣體，我們可以推得近似反映大氣壓隨高度而變化的公式：

μ=P0gh/RT

（μ為空氣的平均摩爾質(zhì)量，P0為地球表面處的大氣壓值，g為地球表面處的重力加速度，R為普適氣體恒量，T為大氣熱力學(xué)溫度，h為氣柱高度）

由上式可以看出，在不考慮大氣溫度變化這一次要因素的影響時(shí)，大氣壓值隨地理高度h的增加按指數(shù)規(guī)律減小。在2千米以內(nèi)，大氣壓值可近似認(rèn)為隨地理高度的增加而線性減小;在2千米以外，大氣壓值隨地理高度的增加而減小漸緩。所以，初中物理教材中有介紹，在海拔2千米以內(nèi)，可以近似地認(rèn)為每升高12米，大氣壓降低1毫米汞柱。

包頭市區(qū)的海拔高度是1067米，我國(guó)測(cè)量海拔以黃海海濱城市青島平均海面作為零點(diǎn)，所以青島的海拔高度是0米。因此，高度引起氣壓變化這一規(guī)律告訴我：青島的氣壓比包頭大。

緯度變化

地球表面大氣層的成份中，變化較大的就是水汽。人們把含水汽比較多的空氣叫“濕空氣”，把含水汽較少的空氣叫“干空氣”。有些人直覺(jué)地認(rèn)為濕空氣比干空氣重，這是不正確的。干空氣的平均分子量為28.966，而水汽的分子量只有18.106，所以含有較多水汽的濕空氣的密度要比干空氣小，即在相同的物理?xiàng)l件下，干空氣的壓強(qiáng)比濕空氣的壓強(qiáng)大。在地球表面，由赤道到兩極，隨地理緯度的增加，一方面由于地球的自轉(zhuǎn)和極地半徑的減小，地球?qū)Υ髿獾奈χ饾u增大，空氣密度增大;另一方面由于兩極地區(qū)溫度較低，所以空氣中的水汽較少，可近似看成干空氣，所以由赤道向兩極，隨地理緯度增加，大氣壓總的變化規(guī)律是逐漸增大（因氣候等因素影響，局部某處的大氣壓值變化可能不遵循這一規(guī)律）。包頭的緯度是北緯40.657度，青島的緯度是北緯36.04度，因而，這一因素對(duì)氣壓的影響不大。

日變化

對(duì)于同一地區(qū)，在一天之內(nèi)的不同時(shí)間，地面的大氣壓值也會(huì)有所不同，這叫大氣壓的日變化。一天中，地球表面的大氣壓有一個(gè)最高值和一個(gè)最低值。最高值出現(xiàn)在9～10時(shí)，最低值出現(xiàn)在15～16時(shí)。

導(dǎo)致大氣壓日變化的原因主要有三點(diǎn)：一是大氣的運(yùn)動(dòng);二是大氣溫度的變化;三是大氣濕度的變化。日出后，地面開(kāi)始積累熱量，同時(shí)地面將部分熱量輸送給大氣，大氣也不斷地積累熱量，其溫度升高濕度增大。當(dāng)溫度升高后，大氣逐漸向高空做上升輻散運(yùn)動(dòng)，在15～16時(shí)，大氣上升輻散運(yùn)動(dòng)的速度達(dá)最大值，同時(shí)大氣的濕度也達(dá)較大值，受此二因素的影響，一天中此時(shí)的大氣壓是最低的。16時(shí)以后，大氣溫度逐漸降低，其濕度減小，向上的輻散運(yùn)動(dòng)減弱，大氣壓值開(kāi)始升高;進(jìn)入夜晚，大氣變冷開(kāi)始向地面輻合下降，在上午9～10時(shí)，大氣輻合下降壓縮到最大程度，空氣密度最大，此時(shí)的大氣壓是一天中的最高值。

我們高中組的比賽是下午，這樣就避開(kāi)了一天中大氣壓最高值。我抽簽是倒數(shù)第二名出場(chǎng)比賽，預(yù)計(jì)時(shí)間將在下午5點(diǎn)以后，也就是說(shuō)大氣壓值開(kāi)始回升。

年變化

同一地區(qū)，在一年之中的不同時(shí)間其大氣壓的值也有所不同，這叫大氣壓的年變化。大氣處于地球周圍一個(gè)開(kāi)放的沒(méi)有具體疆界的空間之內(nèi)，這就使得它與密閉容器中的氣體有著很多區(qū)別。夏天，大陸中的氣溫比海洋上高，大氣的濕度也比較大（相對(duì)冬天而言），這樣大陸上的空氣不斷向海洋擴(kuò)散，導(dǎo)致其壓強(qiáng)減小。到了冬天，大陸上氣溫比海洋上低，大陸上的空氣濕度也較夏天小，這樣海洋上的空氣就向大陸上擴(kuò)散，使大陸上的氣壓升高。這就是大陸上冬天的大氣壓比夏天高的原因（大氣溫度也是影響大氣壓的一個(gè)因素，但在這里決定大氣壓變化的因素不是氣溫，而是大氣的流動(dòng)及大氣的密度）。包頭市的氣候?yàn)榘敫珊蛋霛駶?rùn)的溫帶大陸性氣候。青島地處北溫帶季風(fēng)區(qū)域，屬溫帶季風(fēng)氣候，市區(qū)由于海洋環(huán)境的直接調(diào)節(jié)，受來(lái)自洋面上的東南季風(fēng)及海流、水團(tuán)的影響，故又具有明顯的海洋性氣候特點(diǎn)。比賽是在7月夏季，因此地處海邊的青島比內(nèi)陸的包頭氣壓要大。

因此，在比賽的前一天，我去青島模擬場(chǎng)地親自感受了大氣壓對(duì)飛機(jī)靈敏度的影響。剛啟動(dòng)飛機(jī)時(shí)并無(wú)異樣，在攀升和穩(wěn)定高度時(shí)，我清晰地感受到了氣壓的影響。在包頭練習(xí)時(shí)微小的推桿動(dòng)作對(duì)無(wú)人機(jī)的影響是不大的，但在青島不經(jīng)意地推桿都會(huì)使飛機(jī)變得極為不穩(wěn)定，在進(jìn)行平面內(nèi)的移動(dòng)時(shí)也經(jīng)常會(huì)碰到障礙物。緊張的適應(yīng)練習(xí)結(jié)束，理論知識(shí)及時(shí)轉(zhuǎn)化為對(duì)實(shí)踐的指導(dǎo)，使我心里對(duì)比賽充滿信心。

參考文獻(xiàn)：

[1]王世剛，王學(xué)良.基于工程創(chuàng)新能力培養(yǎng)的計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)課程教學(xué)改革與實(shí)踐[J].課程教育研究：學(xué)法教法研究，2015（2）：12-14.

[2]王竹立.新建構(gòu)主義：網(wǎng)絡(luò)時(shí)代的學(xué)習(xí)理論[J].遠(yuǎn)程教育雜志，2011（2）：11-18.

[3]趙師紅.中國(guó)遠(yuǎn)程教育理論創(chuàng)新之歸因——以王竹立“新建構(gòu)主義”為個(gè)案[J].現(xiàn)代教育技術(shù)，2014（3）：5-11.

[4]教育部學(xué)校規(guī)劃建設(shè)發(fā)展中心.：面向職場(chǎng)，誰(shuí)動(dòng)了你的課程體系？[Z]·“教育之弦”官方微信，2017-7-17.

[5]2014年中國(guó)軟件開(kāi)發(fā)者調(diào)查報(bào)告[EB/OL].[2014-7].http：//www.csdn.net/.

支持項(xiàng)目：2016年國(guó)家級(jí)大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練項(xiàng)目，項(xiàng)目號(hào)201610876013;2016年度浙江省教育技術(shù)研究規(guī)劃課題，項(xiàng)目號(hào)JB045。