飞机为什么能飞起来的（飞机为什么能飞起来）

飞机的飞行原理

曾祥云

飞机为什么会飞起来？这看起来是一个很愚蠢的问题，但是科学家们却一直没有找到令人满意的答案。其中比较流行的是伯努利原理，因为机翼的形状使得机翼上方的流速大于下方的流速从而可以获得向上的升力。但是，当飞机翻过来飞行时为什么不会加速掉下去呢？因此，这种解释并不如意。还有一种是利用牛顿第三定律来解释，但作用力和反作用力并不能解释机翼顶部的低压区①。爱因斯坦也尝试解释飞机能飞起来的原理，1917年，在理论的基础上，爱因斯坦设计了一种被称为猫背翼（cat's-back wing，因为它的形态类似于正在伸懒腰的猫）的翼型。随后，他把设计方案带给柏林的飞机制造商LVG 。这家公司围绕设计方案制造了一架新的飞行器。但试飞员却报告说，这架飞机在空中摇摆不定，就像“一只怀孕的鸭子”。1954年，爱因斯坦表示，当初短暂涉及航空业的行为更像是“年轻人的愚蠢行为”②。

在上图中，黑线代表一个机翼，小圆圈代表周围的空气分子。如果机翼没有受到力的作用，这会是一个平衡状态。

假如机翼突然受到力的作用，我们来看平衡状态会发生什么变化。首先机翼受到向下的作用力，会向下作用于下方的小球，小球在力的作用下开始向下加速，加速到的速度与受力的时间成正比，而加速获得的动能与速度的平方成正比。如果机翼在所在平面上做快速运动，则机翼需要不断地去加速处理静止状态的小球，这样每个小球被加速到的速度就更小，或者说需要更大的力才能将小球都加速到同样的速度，这个速度也就是机翼本身在向下外力作用下的下降速度，而在力不变的情况下，机翼下降的速度会更慢——小球从静止开始加速到速度，从而整体而言，机翼速度越快在向下外力的作用下对小球做功较少，自身在外力作用下在力的方向上产生的移位越小。

结论：当平面机翼在平面方向上运动时，运动速度越快，则在与平面垂直方向上的作用力产生的加速度越小。这可以称之为平面平行运动的定向性，也可以叫顺风性。

根据这一原理，当一个平面在流体中高速运动时，旋转也会变得更加困难。

下面来看平面机翼的动力与飞行设计问题。

前面我们知道了机翼高速飞行时，在垂直于翼面的外力的作用下速度越快外力产生的位移就会越小，但还不能让飞机在空中不被重力拉下。为了让飞机飞起来，则机翼要有一个仰角，而推力方向则与机翼平面平行，这时，可以将小球当成是轮子，相当于汽车在上坡，只是这些轮子会在车子的压力作用下下沉。这样，机翼高度可以保持不变或上升或下降，这主要取决于“爬坡”的速度下“轮子下沉”的速度，显然可以改变仰角来调节机翼的上升与下沉。

当然除了下方空气向下定向动动产生的托力，上方空气分子由于惯性会在机翼上方形成低压区，空气分子在压强作用下也会向下定向运动，从而相当于对机翼产生向上的拉力。根据这一思路，也就可以知道现在的机翼顶部低压区的成因了。

根据这一原理，飞机的机翼应设计成平板形，只对边沿根据流体力学原理设计处理，以减少空气阻力而节能。

这一原理用于水下航行也一样可以，而且需要的机翼更小，因为水的密度大得多，带机翼的潜艇在不改变排水体积下也可在运动中实现灵活改变方向，包括沉浮。

导弹则可以在机翼的作用下飞得更远。

根据上述原理，我们可以得出以下结论：

同样面积的机翼，越细长的机翼效率越高。

空气分子小球在机翼作用下向下定向运动的速度v,质量m,与飞机获得升力f，及空气分子小球在机翼下作用的时间t，其关系如下：

mv=ft

而时间t可以近似地为机翼宽度与飞机速度的比，而飞机损失的能量等于空气分子获得的定向运动动能，与v的平方成正比，也就是与机翼宽度的平方成正比，因此机翼越细长效率越高。

由于飞机获得的升力的真正原理并非伯努利原理，所以机翼的横截面就可以尽量扁平做成薄片型以减少阻力面积，在材料允许的条件下应尽可能细长，并且可以采用多个机翼及上下双层、多层机翼， 上下机翼还可做成对拉三角结构等等。

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参考文献：①②《今天头条》中科院物理所《飞机为什么能飞起来？直到今天，科学家仍然没有答案》来自《环球科学》作者：埃德·里吉斯（Ed Regis）翻译：白晨媛