飛機為什麼能飛起來？直到今天，科學家仍然沒有答案

一個難以置信的事實是：儘管萊特兄弟在100多年前就將飛機開上了天空，但直到今天，人們仍然不清楚，飛機是如何飛起來的。

是什麼產生了空氣動力學中的升力（lift）？各家的看法並沒有達成一致。科學家提出了兩種不同的理論來解釋升力。問題是，這兩種非技術性的理論本身並沒有錯，但兩者都沒有提出一個可以解釋升力各個方面的完整理論。

要完美解釋空氣動力學中的升力似乎是不可能的。要考慮飛機抬升過程中的所有作用力、影響因素和物理條件，而不留下無法解釋或未知的問題，這種理論真的存在嗎？

▲ 在美國航空航天局埃姆斯中心流體力學實驗室中，科學家用水槽試驗測試飛機表面的流場。圖片來源：伊恩·艾

有缺陷的經典理論

到目前為止，對升力最流行的解釋是伯努利原理，這是瑞士數學家丹尼爾·伯努利（Daniel Bernoulli）在1738年發表的專著《流體動力學》（Hydrodynamica）中提出的一種原理。簡單地說，伯努利原理指出：流體的壓力會隨著速度的增加而減小，反之亦然。

飛機的機翼上方有一種特殊的凸起，專業術語稱為翼型（airfoil）。因為這種彎曲的存在，與流經機翼平坦下表面的空氣相比，流經彎曲上表面的空氣速度更快。科學家認為，按伯努利原理，機翼上表面流體速度的增加導致那裡的氣壓降低，以此產生了向上的升力。

無論是風洞實驗（主要觀察由煙氣粒子顯示出的軌跡流線）、噴管還是文丘裡管（Venturi tubes，一種真空發生裝置）等實驗，都給出了海量的經驗數據。這些數據有力地證明了伯努利原理的正確性。然而，伯努利原理本身並不能完全解釋升力。儘管實際經驗表明，在彎曲的表面上空氣流動的速度確實更快，但伯努利原理卻無法解釋為什麼會出現流速變快的現象。換句話說，這個定理並沒有說明機翼上方的高流速是如何產生的。

一個眾所周知的演示，在很多網絡平臺，甚至一些教科書中都曾反覆出現過，它宣稱可以「展示」伯努利原理。在這個演示中，實驗人員會將一張紙水平地放在嘴前，並用氣吹動它上表面，此時，紙面會上升。人們以此說明確實存在伯努利效應。可是，當你吹紙的下表面時，紙面還是會上升。按理說，紙張會應該出現相反的結果，因為紙張下部的氣流應該把紙往下拉。

霍爾格·巴賓斯基（Holger Babinsky）是英國劍橋大學空氣動力學教授，他指出：一側的氣流會讓彎曲紙面升起，「這並不是因為空氣在紙面兩側的流速不同」。為了說明這一點, 你可以吹一張平直的紙張來驗證這一切。例如，吹一張垂直懸吊的紙張，看它是不是既不向一側移動也不向另一側移動。畢竟 「儘管氣流速度明顯存在差異，但是紙張兩側的壓力卻是一樣的」。

伯努利原理的第二個缺點是，它並沒有說明機翼上部高速流動的空氣為什麼會形成更低的壓力，而不是更高的壓力。畢竟，當機翼向上移動時，空氣理應被壓縮，機翼頂部的壓力應該會增加。在日常生活中，這種「瓶頸現象」通常會讓事情變慢，而不是加速。例如，在高速公路上，當兩條或多條車道合二為一時，道路上的車輛不會開得更快，而是會出現車流減速的現象，甚至可能發生交通堵塞。在機翼上表面流動的空氣分子卻不是這樣的，但是伯努利原理卻並沒有說明白為什麼會形成這種現象。

第三個問題特別關鍵，可以證明伯努利原理對升力的解釋是不對的：一架具有彎曲上表面的飛機翻過身來也能飛行。這種情況下，彎曲的機翼表面變成了底面。根據伯努利原理，機翼的下表面的壓力會降低，當這個低壓環境結合重力作用，應該會產生一個向下拉動飛機的效果，而不是支撐它繼續飛行。但是，無論是具有對稱翼型的飛機（其頂部和底部的曲率相當），還是上表面和下表面均為平坦翼型的飛機，只要機翼遇到迎面而來的風，並且配合適當的迎角，都能翻過來飛行。這意味著，伯努利原理本身並不足以解釋升力產生的原因。

▲ 用伯努利原理解釋機翼升力的缺陷

除了用伯努利的理論來解釋升力外，科學家還試圖用另一種理論來解釋這種力的來源：牛頓的作用力和反作用力原理。根據這個定律，當機翼向下推空氣，有質量的空氣會產生一個大小相等、方向相反的向上推力，也就是升力。因此，理論認為機翼是通過推動空氣使飛機產生升力的。這個理論適用於任何形狀的翅膀，彎曲的或平坦的，對稱的或不對稱的。同時，這個理論也適用於正常飛行，或者翻過來飛行的飛機。因此，牛頓第三定律對升力的解釋比伯努利原理更全面，也能應對更多情況。

但就理論本身而言，作用力和反作用力並不能解釋機翼頂部的低壓區，而這一區域的存在也與機翼是否彎曲無關了。只有當飛機著陸停止飛行後，機翼上方的低壓區才會消失，使頂部和底部變得一樣，恢復到周圍的氣壓。但是，只要飛機在飛行，低壓區就是空氣動力學無法忽視的因素，必須加以解釋，才能說明飛機為什麼能飛起來。

因此，無論是伯努利原理還是牛頓第三定律，從各自的角度出發，它們都是正確的，兩者並不相互矛盾。然而，問題在於，任何一個理論都無法完整地解釋升力，兩者結合起來也不行，因為兩者都遺漏了一些東西。

理論發展史

要知道，伯努利和牛頓都沒有想過用自己的理論可以解釋飛機的升力。他們各自生活的時代距離飛行時代還有很長一段時間。當萊特兄弟成功將飛機飛上天后，同時代的科學家迫切地需要理解空氣動力學中的升力，解釋飛行背後的秘密，這兩種理論才因此被重新發現和套用。

20世紀初期，有幾位英國科學家推進了升力的技術和相關的數學理論。他們認為，空氣是一種完美的流體，這意味著它不可壓縮，粘度為零。雖然這與空氣的實際特性有區別，但對需要理解和控制機械設備飛行的科學家而言，做出這樣的假設也是可以理解的，因為這會使數學計算變得更簡單、更直接。但這種簡化也需要付出相應的代價：在理想的不可壓縮氣體中，無論算出的翼型在數學上多麼成功，實際應用時都會表現出各種缺陷。

阿爾伯特·愛因斯坦（Albert Einstein）也曾致力於研究升力問題。1916年，愛因斯坦給出了一個基於不可壓縮和無摩擦流體（也就是理想流體假設）的解釋。雖然沒有提到伯努利的名字，但他給出了一個與伯努利原理基本一致的解釋。他說，流體壓力在速度較慢的地方更大，反之亦然。為了利用這些壓力差，愛因斯坦提出了一種機翼頂部略帶隆起的設計，這樣的形狀可以增加隆起部位的氣流速度，從而降低那裡的壓力。

愛因斯坦或許認為，基於理想流體的分析同樣適用於現實世界的流體。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&7B0C00; --tt-darkmode-color: 505050; --tt-darkmode-color: 505050; --tt-darkmode-color: 505050; --tt-darkmode-color: 505050; --tt-darkmode-color: 505050; --tt-darkmode-color: 505050; --tt-darkmode-color: 505050; --tt-darkmode-color: 505050; --tt-darkmode-color: 505050; --tt-darkmode-color: 505050; --tt-darkmode-color: 505050; --tt-darkmode-color: 7B0C00; --tt-darkmode-color: 505050; --tt-darkmode-color: 505050; --tt-darkmode-color: 505050; --tt-darkmode-color: 505050; --tt-darkmode-color: 505050; --tt-darkmode-color: 505050; --tt-darkmode-color: 505050; --tt-darkmode-color: 505050; --tt-darkmode-color: 505050; --tt-darkmode-color: 505050; --tt-darkmode-color: 505050; --tt-darkmode-color: 505050; --tt-darkmode-color: 505050; --tt-darkmode-color: 505050; --tt-darkmode-color: #969696;">德雷拉自己也承認，他的解釋在某些方面並不令人滿意。他表示：「一個明顯的問題是，沒有一個解釋會被普遍接受。」看來，直到今天，這個問題仍然沒有簡單的答案。