飞机为什么能飞起来？直到今天，科学家仍然没有答案

一个难以置信的事实是：尽管莱特兄弟在100多年前就将飞机开上了天空，但直到今天，人们仍然不清楚，飞机是若何飞起来的。

（原文来自久久自媒体）

从严厉的数学层面上讲，工程师们知道若何设计能在高空航行的飞机，但数学公式并不克注释气动升力发生的原因。为认识释这个问题，两个理论针锋相对，但两者均无法供应完整的注释。

（本文来自www.jj00.com）

撰文|埃德·里吉斯（EdRegis）

翻译|白晨媛

审校|吴子牛

是什么发生了空气动力学中的升力（lift）？各家的见解并没有杀青一致。科学家提出了两种分歧的理论来注释升力。问题是，这两种非手艺性的理论自己并没有错，但两者都没有提出一个能够注释升力各个方面的完整顿论。

要完美注释空气动力学中的升力似乎是弗成能的。要考虑飞机抬升过程中的所有感化力、影响身分和物理前提，而不留下无法注释或未知的问题，这种理论真的存在吗？

在美国航空航天局埃姆斯中心流体力学实验室中，科学家用水槽试验测试飞机外观的流场。图片起原：伊恩·艾伦（IanAllen）

出缺陷的经典理论

到今朝为止，对升力最风行的注释是伯努利道理，这是瑞士数学家丹尼尔·伯努利（DanielBernoulli）在1738年揭橥的专著《流体动力学》（Hydrodynamica）中提出的一种道理。简洁地说，伯努利道理指出：流体的压力会跟着速度的增加而减小，反之亦然。

飞机的机翼上方有一种特别的凸起，专业术语称为翼型（airfoil）。因为这种弯曲的存在，与流经机翼平展下外观的空气比拟，流经弯曲上外观的空气速度更快。科学家认为，按伯努利道理，机翼上外观流体速度的增加导致那边的气压降低，以此发生了向上的升力。

无论是风洞实验（首要视察由烟气粒子显露出的轨迹流线）、喷管照样文丘里管（Venturitubes，一种真空发生装配）等实验，都给出了海量的经验数据。这些数据有力地证实了伯努利道理的准确性。然而，伯努利道理自己并不克完全注释升力。尽管实际经验表明，在弯曲的外观上空气举止的速度的确更快，但伯努利道理却无法注释为什么会显现流速变快的现象。换句话说，这个定理并没有解说机翼上方的高流速是若何发生的。

一个众所周知的演示，在好多收集..，甚至一些教科书中都曾频频显现过，它传播能够“展示”伯努利道理。在这个演示中，实验人员会将一张纸水平地放在嘴前，并用气吹动它上外观，此时，纸面会上升。人们以此解说的确存在伯努利效应。可是，当你吹纸的下外观时，纸面照样会上升。按理说，纸张会应该显现相反的究竟，因为纸张下部的气流应该把纸往下拉。

霍尔格·巴宾斯基（HolgerBabinsky）是英国剑桥大学空气动力学传授，他指出：一侧的气流会让弯曲纸面升起，“这并不是因为空气在纸面两侧的流速分歧”。为了解说这一点,你能够吹一张平直的纸张来验证这一切。例如，吹一张垂直悬吊的纸张，看它是不是既不向一侧移动也不向另一侧移动。究竟“尽管气流速度显着存在差别，然则纸张两侧的压力倒是一般的”。

伯努利道理的第二个瑕玷是，它并没有解说机翼上部高速举止的空气为什么会形成更低的压力，而不是更高的压力。究竟，当机翼向上移动时，空气理应被压缩，机翼顶部的压力应该会增加。在平常生活中，这种“瓶颈现象”平日会让事情变慢，而不是加快。例如，在高速公路上，当两条或多条车道合二为一时，道路上的车辆不会开得更快，而是会显现车流减速的现象，甚至或者发生交通堵塞。在机翼上外观举止的空气分子却不是如许的，然则伯努利道理却并没有解说白为什么会形成这种现象。

第三个问题稀奇要害，能够证实伯努利道理对升力的注释是纰谬的：一架具有弯曲上外观的飞机翻过身来也能航行。这种情形下，弯曲的机翼外观酿成了底面。凭据伯努利道理，机翼的下外观的压力会降低，当这个低压情况连系重力感化，应该会发生一个向下拉动飞机的结果，而不是撑持它持续航行。然则，无论是具有对称翼型的飞机（其顶部和底部的曲率相当），照样上外观和下外观均为平展翼型的飞机，只要机翼碰到迎面而来的风，而且合营适当的迎角，都能翻过来航行。这意味着，伯努利道理自己并不足以注释升力发生的原因。

用伯努利道理注释机翼升力的缺陷

除了用伯努利的理论来注释升力外，科学家还试图用另一种理论来注释这种力的起原：牛顿的感化力和反感化力道理。凭据这个定律，当机翼向下推空气，有质量的空气会发生一个巨细相等、偏向相反的向上推力，也就是升力。是以，理论认为机翼是经由鞭策空气使飞机发生升力的。这个理论适用于任何外形的同党，弯曲的或平展的，对称的或纰谬称的。同时，这个理论也适用于正常航行，或许翻过来航行的飞机。是以，牛顿第三定律对升力的注释比伯努利道理更周全，也能应对更多情形。

但就理论自己而言，感化力和反感化力并不克注释机翼顶部的低压区，而这一区域的存在也与机翼是否弯曲无关了。只有当飞机着陆住手航行后，机翼上方的低压区才会消散，使顶部和底部变得一般，恢复到四周的气压。然则，只要飞机在航行，低压区就是空气动力学无法轻忽的身分，必需加以注释，才能解说飞机为什么能飞起来。

是以，无论是伯努利道理照样牛顿第三定律，从各自的角度出发，它们都是准确的，两者并不互相矛盾。然而，问题在于，任何一个理论都无法完整地注释升力，两者连系起来也不成，因为两者都漏掉了一些器材。

理论成长史

要知道，伯努利和牛顿都没有想过用本身的理论能够注释飞机的升力。他们各自生活的时代距离航行时代还有很长一段时间。当莱特兄弟成功将飞机飞上天后，同时代的科学家急迫地需要懂得空气动力学中的升力，注释航行背后的机要，这两种理论才是以被从新发现和套用。

20世纪初期，有几位英国科学家推进了升力的手艺和相关的数学理论。他们认为，空气是一种完美的流体，这意味着它弗成压缩，粘度为零。固然这与空气的实际特征有区别，但对需要懂得和掌握机械设备航行的科学家而言，做出如许的假设也是能够懂得的，因为这会使数学较量变得更简洁、更直接。但这种简化也需要支付响应的价值：在幻想的弗成压缩气体中，无论算出的翼型在数学上何等成功，实际应用时都邑示意出各类缺陷。

阿尔伯特·爱因斯坦（AlbertEinstein）也曾致力于研究升力问题。1916年，爱因斯坦给出了一个基于弗成压缩和无摩擦流体（也就是幻想流体假设）的注释。固然没有提到伯努利的名字，，但他给出了一个与伯努利道理根基一致的注释。他说，流体压力在速度较慢的处所更大，反之亦然。为了行使这些压力差，爱因斯坦提出了一种机翼顶部略带隆起的设计，如许的外形能够增加隆起部位的气流速度，从而降低那边的压力。

爱因斯坦或许认为，基于幻想流体的剖析同样适用于实际世界的流体。1917年，在理论的根蒂上，爱因斯坦设计了一种被称为猫背翼（cat's-backwing，因为它的形态雷同于正在伸懒腰的猫）的翼型。随后，他把设计方案带给柏林的飞机制造商LVG。这家公司环绕设计方案制造了一架新的航行器。但试飞员却申报说，这架飞机在空中扭捏不定，就像“一只怀孕的鸭子”。1954年，爱因斯坦透露，当初短暂涉及航空业的行为更像是“年青年头人的愚蠢行为”。

完整的升力理论？

现在，设计飞机的科学方式是行使较量流体动力学（computationalfluiddynamics，CFD）模拟，以及较量充裕考虑了真实空气实际粘性的纳维-斯托克斯（Navier-Stokes）方程。CFD模拟获得的究竟和上述方程的解可以展望压力分布模式，给出气流形态和定量的究竟。现今的飞机设计范畴已经非常进步，能够说这些手艺就是行业的根蒂。然而，它们自己并没有对升力做出物理的、定性的注释。

近年来，美国知名空气动力学家道格·麦克莱恩（DougMcLean）试图超越纯粹的数学形式，着手处理航行过程中的物理关系，这种关系或许能够注释升力在实际中示意出的各类特征。2012年，他在本身的书中对机翼升力提出了全新的注释。

在注释升力时，麦克莱恩也是从空气动力学中最根基的假设起头的：机翼四周的空气作为“一种一连的介质，会凭据翼型的分歧发生形变”。这种形变会以机翼上方和下方各自显现的流体形式存在。麦克莱恩写道：“在一个被称为压力场的大区域内，机翼会对气压发生影响。”当发生升力时，机翼上方老是会形成低压的扩散气团，机翼下方平日形成高压的扩散气团。当这些气团感化于机翼时，就组成了对机翼发生升力的压差。

在整个过程中，机翼向下鞭策空气，导致气流向下偏转。机翼上方的空气按伯努利道理被加快。机翼下方有一个高压区，机翼上方有一个低压区。这意味着，在麦克莱恩对升力的注释中，有4个需要的构成部门：气流向下转向，气流速度增加，低压区和高压区。

能够说，这4个要素之间的互相关系是麦克莱恩的论述中最新颖、最奇特的处所。他写道：“它们在互为因果的关系中互相支撑，个中任何一个要素的显现均离不开此外3个要素。”压差对翼型施加升力，而气流向下转向和流速转变维持着压差。恰是在这种互相影响的系统中，显现了麦克莱恩注释的第5个要素：4个要素之间的互相感化关系。这4个要素似乎必需同时显现，互相影响，互相诱发，才能互相维持。

这种协同体式似乎有一种魔力。在麦克莱恩的描述中，就像是4个活跃的个别，只有互相匡助才能在空气中配合维持。或许说，正如他所认可的，这是一个“轮回因果”的案例。然则，“互相感化的每一个身分是若何维持和增强其他身分的呢？”是什么导致了这种互动、互惠、互相影响的动态系统？麦克莱恩的谜底是：牛顿第二定律。

牛顿第二定律指出，物体或流体的加快度与施加在物体上的力成正比。麦克莱恩说：“牛顿第二定律敷陈我们，当压差对流体团施加一个合力时，必然会导致流体团活动的速度或偏向（或两者）发生转变。”但反过来，压差的存在与否和巨细转变也是由流体团的加快情形决意的。

我们在这个过程中凭空获得了一些能量吗？麦克莱恩认为并没有，若是机翼处于静止状况，这套互相强化系统中的任何一个身分都不会存在。只有当机翼在空中移动时，每个流体团才会影响所有其他的流体团。整个航行过程撑持了这套互相刺激、互相依存的身分的存在。

改善升力理论

提出这个注释后不久，麦克莱恩意识到他还没有完全考虑空气动力学中与升力相关的所有身分，因为在注释机翼上方的压力为什么会与四周情况分歧时，无法令人信服。是以，麦克莱恩在2018年11月刊的《物理教师》（ThePhysicsTeacher）杂志上揭橥了一篇文章，对空气动力中的升力提出了“周全的注释”。

固然这篇文章在很大水平上重申了麦克莱恩之前的论点，但他也做了进一步的测验，试图更好地注释是什么导致了压力场的不平均，为什么会呈现这种特有的物理形态。此外，他的新论点还引入了流场（flowfield）级其余互相感化，认为这种非平均压力场是由一种感化力造成的，也就是机翼施加在空气上的向下的感化力。

无论是在他的书中，照样在后续的文章中，麦克莱恩是否完整而准确地注释了升力的机制，还有待进一步注释和商议。我们也能够看出，因为各种原因，很难对空气动力学升力作出清楚、简洁和令人写意的注释。

固然如斯，今朝我们需要进一步注释的已经只有少数悬而未决的问题。关于升力，你应该能回忆起来，这是机翼上下外观压力差导致的究竟。对于翼型下外观的情形，我们已经有了一个能够接管的注释：迎面而来的空气挤压机翼，在垂直偏向发生升力，在水平偏向发生阻力。向上挤压机翼下外观的力，以局部高气压的形式显现。简洁来说，这种更高的气压是感化力和反感化力的究竟。

然而，机翼上外观的情形却大不沟通。那边存在一个低压区，是供应升力的主要部门。然则，若是伯努利道理和牛顿第三定律都不克注释它，什么才能注释它呢？从模拟实验中的流线信息，我们能够得知，机翼上方的空气与翼型向下弯曲的特征慎密相连。然则，为什么流过机翼上外观的气团必需顺着隆起后向下弯曲的机翼举止呢？为什么不克脱离它直接向后飞呢？

马克·德雷拉（MarkDrela）是麻省理工学院流体动力学传授，他给出了一个谜底：“若是这些流体团瞬间偏离机翼的上外观，它与机翼之间的空间就会形成真空，”他注释道，“这个真空会把流体团吸下去，直到真空根基被填满。也就是说，直到它们举止的偏向再次与机翼正切。这就是迫使流体团沿着机翼外形移动的物理机制。局部存在一个稍微的真空情况就能使流体团沿着弯曲的机翼外观举止。”

空气团的偏离，以及被拉近的过程，使机翼的上外观区域发生了低压。这个过程还激发了另一种效应：在机翼上外观，空气举止速度更快。“当机翼上方的气流接近机翼时，机翼上外观的低压气团会在水平偏向上‘拉动’气流，是以，当这些空气抵达机翼时，速度会更快，”德雷拉说，“所以，机翼上方的气流速度增加，能够看作是压力降低的副带感化。”

但和往常一般，在注释升力时，分歧的专家会给出分歧的谜底。剑桥大学空气动力学家巴宾斯基（Babinsky）说：“我很尊敬我的同事德雷拉，所以我很不肯意否决他的概念。然则，若是真空的显现是升力显现的原因，就很难注释，为什么有时气流不会流经机翼外观。当然，他在其他方面都是准确的。这个问题或者真的没有简洁快捷的注释。”

德雷拉本身也认可，他的注释在某些方面并不令人写意。他透露：“一个显着的问题是，没有一个注释会被遍及接管。”看来，直到今天，这个问题仍然没有简洁的谜底。

本文译者：白晨媛是清华大学航天航空学院博士后，首要研究空气动力学。

本文审校：吴子牛是清华大学航天航空学院传授，首要研究空气动力学，旋涡理论与应用等。

本文由微信公家号“全球世科学”（ID：huanqiukexue）授权转载

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编纂：小林绿子

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