飞机为什么能飞起来？直到今天，科学家仍然没答案

一个不可思议的事实是，尽管莱特兄弟在100多年前就已经将飞机飞入了天空，但至今仍不清楚飞机是如何飞行的。

从严格的数学水平来看，工程师们知道如何设计一架能在高空飞行的飞机，但是数学公式不能解释空气动力升力的原因。为了解释这个问题，两种理论截然相反，但都不能提供完整的解释。

什么产生空气动力升力？各方的观点并不一致。科学家们提出了两种不同的理论来解释升力。问题是这两个非技术理论没有错，但是它们都没有提出一个完整的理论来解释升力的所有方面。

似乎不可能完美地解释空气动力学中的升力。当在飞机的提升过程中所有的力、影响因素和物理条件都被考虑而没有留下无法解释或未知的问题时，这个理论真的存在吗？

有缺陷的经典理论

迄今为止，对升力最流行的解释是伯努利原理，它是由瑞士数学家丹尼尔·伯努利在1738年出版的专著《流体力学A》中提出的。简而言之，伯努利原理指出流体压力随着速度的增加而降低，反之亦然。

飞机机翼上方有一个特殊的凸起。这个技术术语叫做翼型。由于这种弯曲，流过弯曲上表面的空气比流过机翼平坦下表面的空气要快。科学家认为，根据伯努利原理，机翼上表面流体速度的增加会导致那里的压力降低，从而产生向上的升力。

风洞实验(主要观察由烟粒子显示的轨迹流线)、喷嘴和文丘里管(真空发生装置)以及其他实验都给出了大量的经验数据。这些数据有力地证明了伯努利原理的正确性。然而，伯努利原理本身不能完全解释升力。尽管实际经验表明空气在曲面上流动得更快，但伯努利原理不能解释为什么流速变得更快。换句话说，这个定理不能解释机翼上方的高速是如何产生的。

一个众所周知的演示，多次出现在许多网络平台甚至一些教科书上，声称“展示”伯努利原理。在这个演示中，实验者将把一张纸水平地放在嘴的前面，并用空气吹它的上表面。这时，纸将会升起。这表明伯努利效应确实存在。然而，当你吹到纸的下表面时，纸仍然会上升。理论上，纸应该有相反的结果，因为纸底部的气流会把纸拉下来。

英国剑桥大学空气动力学教授霍尔格·巴宾斯基(Holger Babinsky)指出，一面的气流会抬高弯曲的纸张，“这不是因为纸张两面的空气速度不同”。为了说明这一点，你可以吹一张扁平的纸来验证这一切。例如，吹一张垂直悬挂的纸，看看它是否既不向一边也不向另一边移动。毕竟，“尽管空气速度有明显的差异，但纸张两侧的压力是相同的。”

伯努利原理的第二个缺点是，它不能解释为什么在机翼上部高速流动的空气形成较低的压力而不是较高的压力。毕竟，当机翼向上移动时，空气应该被压缩，机翼顶部的压力应该增加。在日常生活中，这种“瓶颈现象”通常会减缓而不是加速事情的发展。例如，在高速公路上，当两条或多条车道合并成一条车道时，道路上的车辆不会开得更快，但交通流量会变慢，甚至可能发生交通堵塞。空气分子在机翼上表面流动的情况并非如此，但伯努利原理并不能解释为什么会出现这种现象。

第三个问题尤为关键，它可以证明伯努利原理对升力的解释是错误的:一架上表面弯曲的飞机即使翻转也能飞行。在这种情况下，弯曲的机翼表面成为底部表面。根据伯努利原理，机翼下表面的压力会减小。当这种低压环境与重力结合在一起时，应该会产生将飞机向下拉的效果，而不是支撑它继续飞行。然而，无论是具有对称翼型(顶部和底部的曲率相等)的飞机，还是在上下表面具有扁平翼型的飞机，只要机翼遇到迎面而来的风并匹配适当的迎角，它就可以翻转并飞行。这意味着仅凭伯努利原理不足以解释升力的原因。

伯努利原理解释机翼升力的缺陷

除了用伯努利理论来解释升力外，科学家们还试图用另一种理论来解释这种力的来源:牛顿力和反作用原理。根据这个定律，当机翼向下推动空气时，有质量的空气将产生大小相等、方向相反的向上推力，即升力。因此，该理论认为机翼通过推动空气产生升力。这个理论适用于任何形状的机翼，弯曲的或扁平的，对称的或不对称的。同时，这一理论也适用于正常飞行或颠倒飞行的飞机。因此，牛顿第三定律对升力的解释比伯努利原理更全面，可以处理更多的情况。

然而，就理论本身而言，力和反作用力不能解释机翼顶部的低压区，这个低压区的存在与机翼是否弯曲无关。只有当飞机着陆并停止飞行时，机翼上方的低压区才会消失，使顶部和底部变得相同，并恢复到周围的气压。然而，只要飞机还在飞行，低压区就是空气动力学中不可忽视的一个因素，必须解释为什么飞机能飞行。

因此，从各自的角度来看，伯努利原理和牛顿第三定律都是正确的，两者并不矛盾。然而，问题是两种理论都不能完全解释升力，两者也不能结合，因为两者都缺少一些东西。

理论发展史

你知道，伯努利和牛顿不想用他们自己的理论来解释飞机的升力。他们各自的生活离飞行时代还有很长的路要走。当莱特兄弟成功地将飞机飞上天空时，他们同时代的人迫切需要理解空气动力学中的升力，并解释背后的秘密的飞行，于是这两种理论被重新发现并应用。

20世纪初，几位英国科学家提出了升力技术和相关的数学理论。他们认为空气是一种完美的流体，这意味着它是不可压缩的，并且粘度为零。尽管这与空气的实际特性不同，但需要理解和控制机械设备飞行的科学家做出这样的假设是可以理解的，因为这将使数学计算更简单、更直接。然而，这种简化也需要付出相应的代价:在理想的不可压缩气体中，无论计算出的翼型在数学上多么成功，它在实际应用中都会表现出各种缺陷。

阿尔伯特·爱因斯坦也致力于电梯的研究。1916年，爱因斯坦给出了一个基于不可压缩无摩擦流体的解释(即理想流体假说)。虽然没有提到伯努利的名字，但他给出了一个与伯努利原理基本一致的解释。他说流体压力在低速时更大，反之亦然。为了利用这些压力差，爱因斯坦提出了机翼顶部略微凸起的设计。这种形状可以增加凸出部分的气流速度，从而降低那里的压力。

爱因斯坦可能认为基于理想流体的分析也适用于现实世界中的流体。1917年，根据理论，爱因斯坦设计了一种叫做猫背翼的翼型(猫背翼，因为它的形状类似于猫伸展自己)。后来，他把设计带到了柏林的飞机制造商LVG。该公司根据设计制造了一架新飞机。然而，试飞员报告说飞机像“怀孕的鸭子”一样在空中摇摆。1954年，爱因斯坦说，航空业短暂涉及的更像是“年轻人的愚蠢行为”。

完整的升力理论？

目前，设计飞机的科学方法是采用计算流体力学模拟和纳维尔-斯托克斯方程，充分考虑真实空气的实际粘度。通过计算流体力学模拟得到的结果和上述方程的解可以预测压力分布模式，给出流动模式和定量结果。今天的飞机设计领域已经非常先进。可以说，这些技术是这个行业的基础。然而，它们本身并没有给出升力的物理和定性解释。

近年来，美国著名空气动力学家道格·麦克林(Doug McLean)试图超越纯粹的数学形式来处理飞行中的物理关系，这可能解释现实中升力的各种特征。2012年，他在书中对机翼升力提出了一个全新的解释。

在解释升力时，麦克林还从空气动力学中最基本的假设出发:机翼周围的空气作为一种连续的介质，会根据不同的翼型而变形。这种变形将分别以流体的形式存在于机翼上方和下方。麦克莱恩写道:“在一个叫做压力场的大区域，机翼会影响压力。”当升力产生时，低压扩散气团总是在机翼上方形成，而高压扩散气团通常在机翼下方形成。当这些气团作用在机翼上时，它们形成一个压差，在机翼上产生升力。

在整个过程中，机翼向下推动空气，导致气流向下偏转。根据伯努利原理，机翼上方的空气加速。机翼下面有一个高压区，机翼上面有一个低压区。这意味着，在麦克林对升力的解释中，有四个必要的组成部分:气流向下转向，气流速度增加，低压区和高压区。

可以说，这四个要素之间的相互关系是麦克莱恩叙述中最新颖、最独特的地方。他写道:“它们在因果关系中相互支持，任何一个元素的出现都不能与其他三个元素分开。”压差对翼型产生升力，而气流的向下转向和流速的变化保持压差。正是在这个互动系统中，麦克莱恩解释了第五个元素:四个元素之间的互动出现了。这四个要素似乎必须同时出现，相互影响，相互诱导，相互维持。

这种协作方式似乎有一种神奇的力量。在麦克莱恩的描述中，它就像四个活跃的个体。只有互相帮助，他们才能共同保持在空中。或者，正如他所承认的，这是一个“循环因果关系”的案例。然而，“互动的每个因素如何维持和加强其他因素？”是什么导致了这种互动、互惠和相互影响的动态系统？麦克莱恩的回答是:牛顿第二运动定律。

牛顿第二定律指出，物体或流体的加速度与施加在物体上的力成正比。麦克莱恩说:“牛顿第二定律告诉我们，当压力差对流体质量产生合力时，它将不可避免地导致流体质量的速度或方向(或两者)发生变化。”然而，另一方面，压差的存在与否和尺寸的变化也是由流体质量的加速度决定的。

在这个过程中，我们是否凭空获得了一些能量？麦克莱恩并不认为，如果机翼静止不动，这个相辅相成的系统中的任何因素都不会存在。只有当机翼在空气中运动时，每个流体质量才会影响所有其他流体质量。整个飞行过程支持了这一组相互刺激和相互依赖的因素的存在。

改进的升力理论

这一解释提出后不久，麦克林意识到他没有充分考虑空气动力学中与升力有关的所有因素，因为解释机翼上方的压力与周围环境不同是不可信的。因此，麦克莱恩在2018年11月出版的《物理教师》杂志上发表了一篇文章，对空气动力学中的升力进行了“全面的解释”。

尽管这篇文章在很大程度上重述了麦克林以前的论点，他也做了进一步的尝试，以更好地解释压力场不均匀的原因以及为什么它呈现出这种独特的物理形式。此外，他的新论点还引入了流场水平上的相互作用，认为这种非均匀压力场是由一种力引起的，即机翼对空气施加的向下的力。

无论麦克莱恩在他的书里还是在下面的文章里是否已经完全正确地解释了提升的机制，这仍有待进一步的解释和讨论。我们还可以看到，由于各种原因，很难给出一个清晰、简单和令人满意的气动升力的解释。

然而，只有几个悬而未决的问题需要我们进一步解释。至于升力，你应该记得这是机翼上下表面压力差的结果。我们对机翼下表面有一个可以接受的解释:迎面而来的空气挤压机翼，在垂直方向产生升力，在水平方向产生阻力。向上压迫机翼下表面的力以局部高压的形式出现。简而言之，这种较高的气压是作用力和反作用力的结果。

然而，机翼上表面的情况完全不同。有一个低压区，这是提供升力的一个重要部分。然而，如果伯努利原理和牛顿第三定律都不能解释它，那还有什么能解释它呢？从模拟实验中的流线信息可以看出，机翼上方的空气与机翼的向下弯曲特性密切相关。然而，为什么流过机翼上表面的气团在上升后必须沿着向下弯曲的机翼流动？为什么你不能离开它直接飞回来？

麻省理工学院流体动力学教授马克·德拉给出了答案:“如果这些流体质量瞬间偏离机翼上表面，它们和机翼之间的空间将形成真空，”他解释道。“这种真空将把流体团吸下去，直到真空基本填满。也就是说，直到它们的流动方向再次与机翼相切。这是迫使流体质量沿着机翼形状移动的物理机制。局部区域的轻微真空会使流体质量沿着弯曲的机翼表面流动。”

空气质量的偏差和被拉近的过程在机翼的上表面区域产生了低压。这个过程也引发了另一个效应:空气在机翼上表面流动得更快。德雷拉说:“当机翼上方的气流接近机翼时，机翼上表面的低压气团会将气流拉向水平方向，所以当空气到达机翼时，速度会更快。”。“因此，机翼上方气流速度的增加可以看作是压力降低的子带效应。”

但和往常一样，不同的专家在解释电梯时会给出不同的答案。剑桥大学的空气动力学专家巴宾斯基说:“我非常尊重我的同事德雷拉，所以我非常不愿意反对他的观点。然而，如果真空的出现是升力的原因，很难解释为什么气流有时不流过机翼表面。当然，他在其他方面是对的。这个问题可能真的没有简单快捷的解释。”

德雷拉本人承认，他的解释在某些方面并不令人满意。“一个明显的问题是，没有任何解释会被普遍接受，”他说。直到今天，这个问题似乎还没有简单的答案。