【物理原理】飛機飛行原理中的bug,你知道哪些?

自從1903年萊特兄弟發明了世界上第一架飛機「飛行者」開始，飛機就成了人們生活中不可或缺的交通工具之一。

但是你知道嗎，從100年前到今天，「飛機為什麼能飛起來」至今是個未解之謎！

眾所周知飛機是因為有升力飛起來，但是升力是如何產生的？有兩個理論可以解釋升力的產生，但是他們都有一些漏洞。

▌伯努利原理中的漏洞

我們都在初中物理課上做過一個實驗：兩張紙放在嘴邊，對著兩張紙的中間吹氣，兩張紙不會分開，反而靠攏。

這個實驗讓我們了解了一個理論「伯努利原理」，該原理指出：流體的壓力會隨著速度的增加而減小，反之亦然。

這是瑞士數學家丹尼爾·伯努利在1738年發表的專著《流體動力學》中提出的一種原理。這個原理也成為了目前解釋「飛機為什麼能飛起來」的非技術性理論。

然而，伯努利原理本身並不能完全解釋升力，它有三個漏洞：

第一，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。

第二，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，但伯努利原理並沒有說明機翼上部高速的空氣為什麼會形成更低的壓力，而不是更高的壓力。

因為在日常生活中，比如在公路上，當多車道合為一條車道時，很容易出現車流減速的現象甚至會堵車的現象；為什麼把車換成空氣分子就會產生恰恰相反的效果？伯努利原理並不能解釋這個問題。

第三，像很多飛行表演一樣，有很多飛行翻滾的動作。而這時機翼是向下的，按伯努利原理進行分析，飛機下方流速會變快從而得到一個向下拉的力，直接向下飛行而不能持續爬升。

這三點問題伯努利原理都不能給出合理的解釋，所以在技術層面它並不能成為一個可以解釋升力的完整理論。

▌牛頓第三定律也有漏洞

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：牛頓第三定律（作用力和反作用力原理）。

牛頓第三定律定義到相互作用的兩個物體之間的作用力和反作用力總是大小相等，方向相反，作用在同一條直線上。

應用到飛機上就是：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（作用力）使飛機產生升力（反作用力）的。

同時這個理論應用的情況比伯努利原理要多，例如伯努利原理不能解釋的飛機翻過來飛行也可以用它解釋。

牛頓第三定律的漏洞就在於它並不能解釋機翼頂部伯努利原理中提到的低壓區。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。

牛頓第三定律在1687年提出、伯努利原理在1726年被提出，而萊特兄弟的第一架飛機在1903年起飛，成功起飛後人們為了解釋空氣動力學才把這兩個理論套用在「飛機為什麼能飛起來」的問題上。

相差了快兩個世紀，牛頓和伯努利應該都不會想到自己的理論還能被應用到航空領域。

之後也有不少科學家為這個不解之謎「競折腰」，比如說：愛因斯坦。

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。同時，他提出了一個與伯努利十分相似的原理：流體壓力在速度較慢的地方更大，反之亦然。

利用這一原理愛因斯坦提出了一種機翼頂部略帶隆起的設計，他認為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，產生壓力差，使飛機飛起來。

1917年，在理論的基礎上，愛因斯坦設計了一種像貓伸懶腰的體態一樣的機翼被形象地稱為貓背翼。隨後，他把設計方案帶給當時柏林的飛機製造商LVG ，這家公司圍繞設計方案製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」。愛因斯坦把現實世界的流體想得過於理想化了。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」。

其實如今，設計飛機的科學方法是利用計算流體動力學模擬，計算充分考慮了真實空氣實際粘性方程。模擬可以獲得的結果再加上上述方程的解能夠預測壓力分布模式，給出氣流形態和定量的結果。

雖然現今的飛機設計領域已經非常先進，但是它們本身並沒有對升力做出物理的、定性的解釋。就比如說伯努利原理和牛頓第三定律都不能解釋機翼上的低壓區以及機翼上空氣流速快的問題，現在的科學家可以解釋它嗎？

馬克·德雷拉是一位麻省理工學院流體動力學教授，他給出了一個答案，大概意思就是：如果機翼上這些空氣流體團瞬間偏離機翼的上表面，它與機翼之間的空間就會形成真空，這一部分的真空會把流體團順著翼型的彎曲吸下去，直到真空基本被填滿。由此往復，引發了機翼上表面的低壓。這樣也可以解釋了為什麼機翼上方的的空氣流速會很快：當機翼上方的氣流靠近機翼時，機翼上表面的低壓氣團會在水平方向上「拉動」氣流，因此，當這些空氣抵達機翼時，速度會更快。但和往常一樣，在解釋升力時，不同的專家會給出不同的答案。

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劍橋大學空氣動力學家巴賓斯基說：「如果真空的出現是升力出現的原因，就很難解釋，為什麼有時氣流不會流經機翼表面。當然，他在其他方面都是正確的。這個問題可能真的沒有簡單快捷的解釋。」德雷拉也回復了這一個想法，承認自己的理論還是有缺陷的。是的，其實這些理論本身並沒有錯，要完美解釋空氣動力學中的升力需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等等，而不留下無法解釋或未知的問題，這似乎是不太可能的。

本文轉載自公眾號：航旅縱橫

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