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Q-13
飞机为什么能够在天上飞?

当天空晴朗时,我们有时会看到飞机从天上飞过。很多人也曾乘飞机旅行或出差。那么,你知道为什么如此巨大的家伙能够飞上天吗?本节我们就来研究一下。

持续了百年的争论

如今,距莱特兄弟首次制造出飞机已过去100多年了。但如此巨大的飞机为何能在天上飞,依然是很多人都感兴趣的一个问题。

飞机之所以能飞,是由于机翼上侧压力小,下侧压力大,两侧的 压力差 给了飞机一个向上的力,也就是升力。正是这个力将飞机托上了天空。

机翼与相对气流之间的角称为 迎角 。当飞机起飞时,会在提速的同时向上倾斜机翼,增大迎角。这时,机翼下侧向空气施加了向下的力,同样,空气也同时对机翼施加了一个大小相同、方向相反的力(作用力与反作用力)。也就是说, 机翼的下侧受到了空气施加的向上的力 (这时的机翼下侧气压变高)。

那么,此时机翼上侧又发生了什么呢?人们将很多传感器安装在模型飞机的机身及机翼上,并将其放入人工制造的气流中。从实验结果可以看出,机翼的上侧气流比下侧流速快,所受压力小,空气对机翼上侧施加的力较弱。然而,这又是如何产生的,目前还没有明确的解释。

广为流传却并不正确的学说

关于飞机的飞行原理有一个很著名却并不正确的学说,那就是 伯努利原理 。简单概括其内容,就是由于机翼上侧空气流速较机翼下侧快,因此上侧所受压力小于下侧。所以机翼整体受到一个向上的力。这一理论看起来像是解释清楚了飞机的飞行原理。

图1 机翼周边的气流及升力

受到向下作用力的空气,会将同样大小的反作用力施加给机翼。

的确,伯努利原理所描述的,是像空气、水这样可以自由变形的流动物质所具有的机械能守恒定律。从这个角度讲,“流速越快,压力越小”这一结论也是成立的。但若将此原理应用到飞机的飞行原理上,就会出现一个重要的漏洞,那就是为何机翼上侧的空气流速快、压力小。

对于伯努利原理中“空气的流速快会令压力变小”,以及“压力变小会令流速加快”这些结论本书是持肯定态度的。但这些结论并不能真正地解释清楚飞机的飞行原理。

尖锐后缘机翼的重要性

若要飞机能够起飞,机翼要具备尖锐的后缘,也就是必须满足“ 库塔条件 ”(库塔-茹科夫斯基假定)。这样的机翼可以保证被机翼前端分开的气流在机翼后缘处重新交汇。只有满足这一条件,机翼才能够产生所需的升力。库塔与茹科夫斯基是两位科学家的名字,一位是德国科学家马丁·库塔,另一位是俄国科学家尼古拉·茹科夫斯基。他们分别在各自的研究中发现了这一现象。

图2 伯努利原理的本质是机械能守恒定律

伯努利原理的基本内容是“流体所具有的动能、压力势能与重力势能的和为常数”,但关于“机翼上侧为何气流速度快,压力小”并未做出任何说明。

图3 满足库塔条件的机翼及其周围的气流

机翼前端将空气一分为二,这两部分又在机翼后缘再次交汇。这样便产生了升力。 i8E6Ij3fJE53YnfEy82apH9187GsIUEhxDy3fioaLmw+qWVEQ9jEOo1DqehZR5tX

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