無人機這麼紅，簡單告訴你無人機的飛行原理

對於一項新科技，觀望的人總是多於實際使用的，無人機也不例外。但隨著無人機成本的降低，許多人都開始入手，並應用到旅遊、直播、救災等場景中。無人機進入消費領域。

本文作者 Rhett Allain 是路易斯安納大學的物理學教授，他在《How Do Drones Fly?| Physics, of Course!》一文中分享了一些關於無人機飛行的物理原理，從而使我們能夠更好地理解無人機。

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。因此，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：空中懸浮、爬升和降低。當空中停留時，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，就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，此時，無人機即能實現空中停留。

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。