科普飞机为什么能飞起来

自从1903年莱特兄弟发明了世界上第一架飞机“飞行者”开始，飞机就成了人们生活中不可或缺的交通工具之一。但是你知道吗，从100年前到今天，“飞机为什么能飞起来”至今是个未解之谜！   

1、两个经典理论中的漏洞

    众所周知，飞机是因为有升力飞起来，但是升力是如何产生的？有两个理论可以解释升力的产生，但是他们都有一些漏洞。  

1、伯努利原理中的漏洞

我们都在初中物理课上做过一个实验：两张纸放在嘴边，对着两张纸的中间吹气，两张纸不会分开，反而靠拢。这个实验让我们了解了一个理论“伯努利原理”，该原理指出：流体的压力会随着速度的增加而减小，反之亦然。

这是瑞士数学家丹尼尔·伯努利在1738年发表的专著《流体动力学》中提出的一种原理。这个原理也成为了目前解释“飞机为什么能飞起来”的非技术性理论。   图片来源：微博@tyzlolicon 然而，伯努利原理本身并不能完全解释升力，它有三个漏洞：第一，尽管实际经验表明，在弯曲的表面上空气流动的速度确实更快，但伯努利原理却无法解释为什么会出现流速变快的现象。换句话说，这个定理并没有说明机翼上方的高流速是如何产生的。第二，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，但伯努利原理并没有说明机翼上部高速的空气为什么会形成更低的压力，而不是更高的压力。因为在日常生活中，比如在公路上，当多车道合为一条车道时，很容易出现车流减速的现象甚至会堵车的现象，为什么把车换成空气分子就会产生恰恰相反的效果？伯努利原理并不能解释这个问题。第三，像很多飞行表演一样，有很多飞行翻滚的动作。而这时机翼是向下的，按伯努利原理进行分析，飞机下方流速会变快从而得到一个向下拉的力，直接向下飞行而不能持续爬升。 这三点问题伯努利原理都不能给出合理的解释，所以在技术层面它并不能成为一个可以解释升力的完整理论。  

2、牛顿第三定律也有漏洞

除了用伯努利的理论来解释升力外，科学家还试图用另一种理论来解释这种力的来源：牛顿第三定律（作用力和反作用力原理）。 牛顿第三定律定义到相互作用的两个物体之间的作用力和反作用力总是大小相等，方向相反，作用在同一条直线上。应用到飞机上就是：当机翼向下推空气，有质量的空气会产生一个大小相等、方向相反的向上推力，也就是升力。因此，理论认为机翼是通过推动空气（作用力）使飞机产生升力（反作用力）的。

同时这个理论应用的情况比伯努利原理要多，例如伯努利原理不能解释的飞机翻过来飞行也可以用它解释。牛顿第三定律的漏洞就在于它并不能解释机翼顶部伯努利原理中提到的低压区。但是，只要飞机在飞行，低压区就是空气动力学无法忽视的因素。      

2、爱因斯坦短暂涉足航空后，竟说这是“愚蠢的行为”

 牛顿第三定律在1687年提出、伯努利原理在1726年被提出，而莱特兄弟的第一架飞机在1903年起飞，成功起飞后人们为了解释空气动力学才把这两个理论套用在“飞机为什么能飞起来”的问题上。相差了快两个世纪，牛顿和伯努利应该都不会想到自己的理论还能被应用到航空领域。之后也有不少科学家为这个不解之谜“竞折腰”，比如说：爱因斯坦。1916年，爱因斯坦给出了一个基于不可压缩和无摩擦流体（也就是理想流体假设）的解释。同时，他提出了一个与伯努利十分相似的原理：流体压力在速度较慢的地方更大，反之亦然。利用这一原理爱因斯坦提出了一种机翼顶部略带隆起的设计，他认为这样的形状可以增加隆起部位的气流速度，从而降低那里的压力，产生压力差，使飞机飞起来。   1917年，在理论的基础上，爱因斯坦设计了一种像猫伸懒腰的体态一样的机翼被形象地称为猫背翼。随后，他把设计方案带给当时柏林的飞机制造商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”。爱因斯坦把现实世界的流体想得过于理想化了。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”。      

3、当代科学家可以解释这个问题吗？

其实如今，设计飞机的科学方法是利用计算流体动力学模拟，计算充分考虑了真实空气实际粘性方程。模拟可以获得的结果再加上上述方程的解能够预测压力分布模式，给出气流形态和定量的结果。

虽然现今的飞机设计领域已经非常先进，但是它们本身并没有对升力做出物理的、定性的解释。就比如说伯努利原理和牛顿第三定律都不能解释机翼上的低压区以及机翼上空气流速快的问题，现在的科学家可以解释它吗？   马克·德雷拉是一位麻省理工学院流体动力学教授，他给出了一个答案，大概意思就是：如果机翼上这些空气流体团瞬间偏离机翼的上表面，它与机翼之间的空间就会形成真空，这一部分的真空会把流体团顺着翼型的弯曲吸下去，直到真空基本被填满。由此往复，引发了机翼上表面的低压。这样也可以解释了为什么机翼上方的的空气流速会很快：当机翼上方的气流靠近机翼时，机翼上表面的低压气团会在水平方向上“拉动”气流，因此，当这些空气抵达机翼时，速度会更快。

      但和往常一样，在解释升力时，不同的专家会给出不同的答案。剑桥大学空气动力学家巴宾斯基说：“如果真空的出现是升力出现的原因，就很难解释，为什么有时气流不会流经机翼表面。当然，他在其他方面都是正确的。这个问题可能真的没有简单快捷的解释。”马克·德雷拉也回复了这一个想法，承认自己的理论还是有缺陷的。   是的，其实这些理论本身并没有错，要完美解释空气动力学中的升力需要考虑飞机抬升过程中的所有作用力、影响因素和物理条件等等，而不留下无法解释或未知的问题，这似乎是不太可能的。

编辑：黄飞