飛機的飛行原理

曾祥雲

飛機為什麼會飛起來？這看起來是一個很愚蠢的問題，但是科學家們卻一直沒有找到令人滿意的答案。其中比較流行的是伯努利原理，因為機翼的形狀使得機翼上方的流速大于下方的流速從而可以獲得向上的升力。但是，當飛機翻過來飛行時為什麼不會加速掉下去呢？因此，這種解釋并不如意。還有一種是利用牛頓第三定律來解釋，但作用力和反作用力并不能解釋機翼頂部的低壓區①。愛因斯坦也嘗試解釋飛機能飛起來的原理，1917年，在理論的基礎上，愛因斯坦設計了一種被稱為貓背翼（cat's-back wing，因為它的形态類似于正在伸懶腰的貓）的翼型。随後，他把設計方案帶給柏林的飛機制造商LVG 。這家公司圍繞設計方案制造了一架新的飛行器。但試飛員卻報告說，這架飛機在空中搖擺不定，就像“一隻懷孕的鴨子”。1954年，愛因斯坦表示，當初短暫涉及航空業的行為更像是“年輕人的愚蠢行為”②。

在上圖中，黑線代表一個機翼，小圓圈代表周圍的空氣分子。如果機翼沒有受到力的作用，這會是一個平衡狀态。

假如機翼突然受到力的作用，我們來看平衡狀态會發生什麼變化。首先機翼受到向下的作用力，會向下作用于下方的小球，小球在力的作用下開始向下加速，加速到的速度與受力的時間成正比，而加速獲得的動能與速度的平方成正比。如果機翼在所在平面上做快速運動，則機翼需要不斷地去加速處理靜止狀态的小球，這樣每個小球被加速到的速度就更小，或者說需要更大的力才能将小球都加速到同樣的速度，這個速度也就是機翼本身在向下外力作用下的下降速度，而在力不變的情況下，機翼下降的速度會更慢——小球從靜止開始加速到速度，從而整體而言，機翼速度越快在向下外力的作用下對小球做功較少，自身在外力作用下在力的方向上産生的移位越小。

結論：當平面機翼在平面方向上運動時，運動速度越快，則在與平面垂直方向上的作用力産生的加速度越小。這可以稱之為平面平行運動的定向性，也可以叫順風性。

根據這一原理，當一個平面在流體中高速運動時，旋轉也會變得更加困難。

下面來看平面機翼的動力與飛行設計問題。

前面我們知道了機翼高速飛行時，在垂直于翼面的外力的作用下速度越快外力産生的位移就會越小，但還不能讓飛機在空中不被重力拉下。為了讓飛機飛起來，則機翼要有一個仰角，而推力方向則與機翼平面平行，這時，可以将小球當成是輪子，相當于汽車在上坡，隻是這些輪子會在車子的壓力作用下下沉。這樣，機翼高度可以保持不變或上升或下降，這主要取決于“爬坡”的速度下“輪子下沉”的速度，顯然可以改變仰角來調節機翼的上升與下沉。

當然除了下方空氣向下定向動動産生的托力，上方空氣分子由于慣性會在機翼上方形成低壓區，空氣分子在壓強作用下也會向下定向運動，從而相當于對機翼産生向上的拉力。根據這一思路，也就可以知道現在的機翼頂部低壓區的成因了。

根據這一原理，飛機的機翼應設計成平闆形，隻對邊沿根據流體力學原理設計處理，以減少空氣阻力而節能。

這一原理用于水下航行也一樣可以，而且需要的機翼更小，因為水的密度大得多，帶機翼的潛艇在不改變排水體積下也可在運動中實現靈活改變方向，包括沉浮。

導彈則可以在機翼的作用下飛得更遠。

根據上述原理，我們可以得出以下結論：

同樣面積的機翼，越細長的機翼效率越高。

空氣分子小球在機翼作用下向下定向運動的速度v,質量m,與飛機獲得升力f，及空氣分子小球在機翼下作用的時間t，其關系如下：

mv=ft

而時間t可以近似地為機翼寬度與飛機速度的比，而飛機損失的能量等于空氣分子獲得的定向運動動能，與v的平方成正比，也就是與機翼寬度的平方成正比，因此機翼越細長效率越高。

由于飛機獲得的升力的真正原理并非伯努利原理，所以機翼的橫截面就可以盡量扁平做成薄片型以減少阻力面積，在材料允許的條件下應盡可能細長，并且可以采用多個機翼及上下雙層、多層機翼， 上下機翼還可做成對拉三角結構等等。

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合作課題：高效環保節能型汽車發動機的研發等。

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參考文獻：①②《今天頭條》中科院物理所《飛機為什麼能飛起來？直到今天，科學家仍然沒有答案》來自《環球科學》作者：埃德·裡吉斯（Ed Regis）翻譯：白晨媛

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