飞机为什么能飞起来?
飞机不是只靠伯努利就飞起来。真正的本质是机翼把气流偏折向下,作为反作用被往上抬,而迎角和弧度就是控制这个偏折的两个把手。
几百吨重的金属块悬在空中。客舱里坐满了人和行李,机翼也不像鸟那样扇动,只是直直地伸着,纹丝不动。
鸟很轻,至少还会扇翅膀。飞机很重,机翼是固定的。
可它还是飞起来了。是什么撑住了这么大的重量?
学校里学过的解释浮上来了。机翼上面是凸的,下面是平的。所以从上面流过的空气要走更长的路。
既然上下分开的空气得在机翼后缘重新会合,上面的空气就必须流得更快。快的空气压力低,于是上面变成低压,把机翼往上吸。这就是常见的"靠伯努利飞起来"的说法。
听起来很有道理。可这个解释悄悄藏着一个假设:上下分开的空气"必须在机翼后面重新会合"。
这个假设是真的吗?
不是。没有任何定律规定上下的空气必须重新会合。实际上,上面的空气流得比下面快得多,会先到达机翼后缘。别说同时会合,它早就跑到前面去了。"同时通过"这个假设从一开始就是错的。
还有两个更有力的反例。第一,纸飞机的机翼就是一张平纸,上面并不凸起,却照样飞得很好。第二,特技飞机能倒着飞。如果升力只来自上下表面的弧度差,倒过来的飞机就该直直地掉下去。可它没掉。
那么真正的本质是什么?机翼把气流向下偏折。流过机翼的空气不再沿原来的方向,而是斜着向下拐下去。这叫下洗流。
这里牛顿的作用与反作用登场了。机翼把大量空气往下推,作为反作用,空气就把机翼往上推。撑住重量的力,就是这个。直升机靠把空气往下喷来悬停,是同一个原理,只不过固定翼是靠向前飞行来产生它。
伯努利也依然成立。气流弯曲时,机翼上方的空气确实加速、压力下降,下方减速、压力升高。这个压力差把机翼往上推。区别只在于:上方加速的原因不是"为了去会合",而是气流沿着曲线弯折。牛顿的说法和伯努利的说法并不矛盾,它们用不同的语言描述同一个现象,而且都对。
把空气往下偏折的有两样东西:机翼的弧度,和迎角。迎角是机翼相对于迎面气流倾斜的角度。正因为迎角是关键,平平的纸飞机、倒飞的特技飞机,只要把机翼适当倾斜,把气流向下偏折,就都能产生升力。
但迎角不能无限加大。倾斜得太陡,空气就跟不上机翼表面,会剥离开来。气流分离的那一刻,升力突然崩塌。这就是失速。这是飞机会毫无预警地掉下来的原因,也是飞行员最警惕的状态。
从侧面看机翼的横截面。从前方进来的流线,经过机翼时向斜下方弯折。这个弯折就是下洗流。
把迎角滑块往上拉,气流弯得更厉害,升力箭头也跟着变大。机翼把越多的空气往下推,自己就被往上推得越猛。
打开"误解"模式,两个空气粒子在后面同时会合。在"真实"模式里,上面的粒子先到。这正是学校解释的假设破掉的地方。
把迎角抬得太高,气流就从表面剥离,升力崩塌。这就是失速。
流线沿着机翼横截面流过。用迎角滑块看流向下偏得更厉害、升力增大,再用"误解"模式开关验证"同时到达"假设与现实之间的差距。把迎角推过失速阈值,气流分离,升力崩塌。
这个原理用一只手就能直接感受到。在行驶的车里把手平平地伸出窗外。把指尖稍稍向上翘,也就是给它一个迎角,手就被往上托。向下翘,手就被往下压。你的手掌做的,正是飞机机翼做的事。
纸飞机会飞,回旋镖和飞盘能滑行,都是同一个原理。直升机靠旋转机翼不停地把空气往下推,悬停在原地;无人机的螺旋桨也一样。
帆船能逆风前进,其实也是同一回事。帆是竖起来的机翼,风绕过帆弯折时,产生把船往前推的升力。帆告诉我们,机翼不一定要是水平的。
而失速既是飞行中最危险的时刻,也是最好的复习。迎角过大时,气流剥离,升力消失。飞行员这时做出反直觉的动作:把机头反而往下压,减小迎角,让气流重新贴上,把升力找回来。撑住飞机的力来自偏折气流而不是来自弧度,这个从失速中脱身的动作,把这个事实证明得最清楚。