升力是如何产生的

升力是如何产生的

关于飞机升力是如何产生的有很多种理论,然而在百科书上,网站上,甚至某些课本上的说法,都是错的。

最广泛的一种理论,也被称为“长距理论(Longer Path)”,或“等时理论(Equal Transit Time)”。这种理论解释说,气流在机翼前段被分为上下两个部分,最后在机翼尾部汇合。但机翼上下表面形状是不对称的,气流沿机翼上表面运动的距离更长,自然流速更快,根据伯努利定理,速度越快,气压越小,上下表面的压力差就提供了升力。

由于这个理论主要依赖于“伯努利定律”,后文称其为伯努利派。

这个理论的第一个错误在于,认为“机翼上下表面不对称”是升力之源。然而上下对称的机翼并不罕见,最常见的例子就是纸飞机,纸飞机在滑翔过程中一样可以产生升力。此外,现代飞机广泛采用的超临界翼型,出于减阻目的,其下表面的长度实际上是比上表面长度还长的。同时,这个理论也完全无法解释战斗机是如何倒飞的。

这个理论在实际计算时,也会发现错误。以其假设,越过机翼上下表面的气流会在机尾相汇,据此计算气流上下的速度差,利用伯努利定律得出压力差,最后获得的升力数据,会发现完全不足以支持飞机的重力。事实上,风洞试验也验证了上下表面的气流并不会在机尾汇合。

另一个广泛流传的理论,有人称为“漂石理论(Skipping Stone)”。这种理论认为,升力来源于空气对机翼底部的反作用力,就像打水漂一样,石子在快速滑过水面时,会排开水体从而获得反向的作用力重新离开水体,飞机在飞行时不断向下推开空气,从而依靠反作用力获取升力。

由于这个理论主要依赖于牛顿第三定律,故下文称“牛顿派”。

这个理论的显著错误在于,它认为产生升力的主要是机翼下表面,机翼上表面的贡献可以忽略。这也就引申出一个结论:机翼下表面不变,则上表面的形状改变不会导致升力改变——这显然是不对的。一个典型的例子是扰流板,当机翼上表面的扰流板打开时,下表面毫无变化,上表面可以说形状改变不大,但是结果却非常显著——某些飞机着陆时仅打开扰流板就可以减少一半以上的升力。

和“长距理论”一样,参考空气密度、实际的空气流量等参数,计算一下所能产生的升力,就会发现得到的结果仍然不足以支撑飞机的重力。

对于“伯努利派”而言,升力的产生来源于机翼上下表面的压力差,对于“牛顿派”而言,升力的产生来源于飞机偏移了气流方向从而产生的反作用力。

对于真实世界,当空气流过一个物体,或者说物体穿过空气时,由于空气分子不像固体分子那样紧密相连,他们的运动并不完全与物体本身有关,这也导致物体周围的气流,在不同的区域有着不同的方向和大小,离物体越近,差异越大。

在不同的区域,产生了不同的气动压力,升力就相当于这些压力在垂直于气流方向的分量合力,阻力就相当于这些压力在平行于气流方向的分量合力。而这些气动力作用于飞机上,获得的反作用力,将使气流运动方向变化,从牛顿第三定律的观点来看,这就是气动升力和阻力的来源和结果。因此,“伯努利派”和“牛顿派”都可以单独且正确的解释升力的产生。

那这些理论的错误何在呢?

在于他们都过度简化的应用了伯努利方程和牛顿第三定律。

“长距理论”认为流过上下表面的气流由于距离差产生了速度差,但实际上表面的气流速度要远大于此理论估算的气流速度,如果能得到完整的机翼上下表面的气流速度分布图,根据伯努利方程计算出的升力就将是对的。

“漂石理论”的错误,在于它忽视了上表面对气流的作用力,实际上流过上表面的气流也是有着向下运动的趋势的,上表面同样收到气流向上的反作用力。而当使用扰流板时,气流将提供向下的反作用力,从而大幅减少升力。

物体在气流中的受力时非常复杂而无法简化的,但是他们依然要遵守动量守恒定律和能量守恒定律。牛顿定律的基石在于动量守恒,而伯努利定律源于能量守恒,因此这两个方程都可用于计算升力且都正确。

伯努利父亲的另一个学生,欧拉,发展了积分学。当获得飞机附近气流的准确分布后,依赖欧拉公式,就可以计算得到较为准确的升力数值。

简化后的二维欧拉公式,依赖于4个参数从而计算出升力。速度u,v代表平行气流方向和垂直气流方向的气流速度分量,气压p和空气密度σ。

但是欧拉公式仍然存在瑕疵,它没有考虑空气流动时的粘性阻力,因此只在厚机翼和小仰角情况下成立。更进一步的,Navier和Stokes分别独立的发展了流体力学,建立了N-S方程来较为准确的计算真实升力。

总之,升力既可以解释为由于气流对飞机上下表面压力不同的产生的,也可以解释为飞机使气流发生偏转而获得的反作用力产生。

但是,气流之所以具有不同的速度,和气流之所以产生偏转,其原因是非常复杂的而难以简化的。某些情况下,飞机机翼上的细微变化就可能对升力大小产生巨大影响。

编辑于 2014-07-21

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