飛機為什麼能飛起來?從科普的鐵律說到升力的詮釋

2021-01-08 航空之家AH

張聚恩/文

關於說鐵律是否有點絕對化,是否因此而令人望而卻步,我思忖再三,覺得還是應該堅守鐵律之說,似不應動搖。一旦這一條失守,科普將失去存在的價值,正如我上文裡所說,沒有科普很可怕,內容錯誤的科普更可怕。所有從事科普或事實上以自己的言談和作品產生科普效應的人,都應以此要求自己——在科學與技術的傳播中,務必謹言慎著。

我倡導三心三不說:要有敬畏心,對自己不懂的領域與方面,不瞎說;要有謙卑心,對知之不深的話題,不胡說;要有責任心,對較熟悉、有積累的內容,也務必做好準備,不亂說。這些都是進行科普、甚或有朋友說這些也應是做人行事的基本要求。

但這並不是說科普就不能出錯、不許出錯。由於科技發展,原有的知識被證明有缺陷,不完全正確;或者因個人認識和手段的不足,雖已盡力,但所闡釋的內容出了差錯。這些是正常的,也是允許的。出現這種情況後,及時修正更新,儘快自糾或互糾,努力使出現的錯誤、尤其是較大的錯誤不致流傳就是了。

面對日新月異發展的科學技術,每一個人都可能犯錯,都需要不斷學習,專家和學者也不例外。探究規律、追求真理的進程永不會終止。特別是對於一些理論不完備和尚無定論或共識的科技問題,不僅需要持續研究,還需要人們以各種形式進行切磋交流,包括有時會藉助科普形式提出問題、發布資訊和階段成果,以引發更多人的興趣,吸納更多人的智慧,推動研究的深入。在這個進程裡,出現的闡釋失準,不應簡單地視為「出錯」。

這裡我舉一個實例。最近,不少人都在看或轉「航旅縱橫」平臺上的一篇文章《飛機為什麼能飛起來,至今還是個未解之謎》,該文指出使用經典理論,如伯努利定理和牛頓第三定律等,在解釋飛機升力時有一定局限。同樣的文章還有美國科普作家埃德·裡吉斯(Ed Regis)寫的《飛機為什麼能飛起來?科學家仍然沒有答案》(清華大學白晨媛翻譯、吳子牛審校),對飛機升空科學原理的爭議進行了評介,也認為該問題迄今尚無完美答案。

這個問題是航空科普的一個熱點、難點,似乎也是一個盲點。提問者多,回答者少。這個問題本身又是航空科技的一個基礎性問題,不僅社會公眾廣為關注,業內人士對這一問題也一直在探討。

有趣的是,飛機早已飛上藍天,且飛得越來越快、越遠、越高;飛機設計技術日臻完善,已能利用CFD、仿真和數學工具進行計算和模擬,在充分考慮真實空氣的物理特性的條件下,獲得足以支持翼型選擇、預測壓力分布、給出氣流形態的定量解、可視解。但是,對於升力的產生原理,如翼型上低壓區形成、氣流速度變化等的原因,尚缺乏合理的定性科學詮釋。

說到詮釋,有一個較少使用的詞彙,叫「詮釋學」,英文Hermeneutics,源自希臘語。其含義是運用一定的概念和既有知識,去解釋現象,探明本義,達到自洽性。而所謂「自洽性」(Self-consistent),就是在邏輯上達成完滿解釋,或自圓其說,或不可證偽。

實現「自洽性」的唯一工具是科學。科學的固有作用本來就是,第一,解釋現象,揭示事物內在的或背後的規律;第二,在成為真理後,指導相應的人類活動,包括技術的開發。我們現在要做的對飛機升力的詮釋,本質上就是一種以科學原理來解釋現象、追求自洽性的研究與探討。

用於詮釋升力來源的科學有兩大類,一類是公理性科學,如伯努利定理、牛頓定律、能量守恆定律(由邁爾提出,焦耳開展實驗,赫姆霍茲最終確立)、馬格納斯效應等;另一類是針對航空而創建的專門性科學理論,如喬治·凱利的空氣動力學理論、庫塔-茹科夫斯基環量定理、科恩達的附壁效應等。

用公理性科學來解釋專門的現象,常常不盡完美,但這不是公理的錯,不是公理的漏洞;如伯努利定理、牛頓力學定律等。由於創立者的生活歲月遠早於飛行時代,他們的理論不是專門用來服務航空、解釋升力的。基於公理,在一定的邊界、條件、約束下對特定飛行問題立論求解,所形成的航空專門性科學理論則具有很強的針對性。公理性科學和專門性科學相結合,方為有效回答航空問題之道。

不少學者、專家對此做了研究和詮釋。有關成果與資訊不少。例如,來自加拿大滑鐵盧大學、署名「博士科普團隊孟航」的一篇《升力與翼型——古典與近現代流體力學的完美結合》,視角獨特,讀來令人耳目一新。北京航空航天大學劉沛清教授的《連續性氣流翼型繞流產生升力知多少?》詳述了翼型繞流產生升力的基本認識,頗具深度。有一位筆名「老眼昏花」的作者,自稱非航空人士,但他的《航空知識筆記》(第93篇)寫了《飛機如何獲得升力?》,試圖從伯努利定律、庫塔-茹科夫斯基定理,起動渦和翼尖渦流等的結合中闡釋升力,讀後很受啟迪。

現在的科學理論應該能夠破解這個未解之謎了,在充分考慮涉及到的複雜過程和所有作用力、影響因素與物理條件的前提下,如能融合運用伯努利定理、庫塔-茹科夫斯基環量定理和附壁效應等公理性科學和專門性科學,應能對飛機升力的產生原因做出有說服力的完美詮釋。

專家、學者以及眾多航空愛好者們進行的研究,正在逼近圓滿,也在逐步形成共識。同時,大家也有責任,把這樣一個略顯深奧、且尚無定論的重要問題,如實地告訴人們。根據受眾的不同,採取不同的形式和語言,宣講這些成果與知識,甚至這個有趣的認知過程本身。這是一份責任,也是一種獨具特色的科普。

類似這樣的科普,取探討式、互動式,要留有餘地,說明認識的階段性,而非唯一正確的結論。對真理和真相的持續追求,向公眾的傳播與發布,既反映了學術探討的自由與活躍,也是為滿足社會需要的責任與自覺,其本身也是對研究工作的檢驗和促進。這是一個授受雙方集體提升的動態過程,當然也就沒有絕對化的「不出錯」。

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