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飛行就是要抵抗重力而“浮”在空中。抵抗重力的方式有很多，最簡單的就是——當(dāng)它不存在。

顯然，反重力只存在于神話和科幻中，目前還是不要指望了。

還有一種方式是人類在幾百年前發(fā)現(xiàn)的，那就是——飛快點。

比如月亮就不會掉下來，人類發(fā)射上天的諸多衛(wèi)星和飛船也不會掉下來。這種方式可以理解為靠離心力來平衡重力，至于愛因斯坦的理解我們這里就不討論了。

要飛多快呢？在地面附近要達到第一宇宙速度，即7.9km/s，差不多有20多馬赫。太快了，在空氣中根本達不到這個速度，因為阻力會非常大，而且會產(chǎn)生極高的溫度。如果真達到了，其實就不用靠離心力了，因為這時的氣動力要遠遠大于重力，稍微利用一下，就足以托起物體了。

所以，要想在空氣中飛行，就只剩下利用空氣這一途徑了。幸運的是地球的大氣足夠稠密，可以擔(dān)負起這一任務(wù)。

最簡單的方式就是讓飛行器比空氣輕，靠空氣的浮力來托起它，熱氣球和氦氣飛艇就是這一類飛行器。它們可以靜止地懸浮在空氣中，非常環(huán)保，缺點是體積太大且速度較低。

所有比空氣重的飛行器的飛行原理都是一樣的。從牛頓定律角度來說，是靠把空氣排向下方，利用反作用力來獲得升力。從力的平衡角度來說，是靠流動使飛行器上下表面產(chǎn)生壓差來獲得升力。

先來看看兩種關(guān)于機翼升力原理不正確的解釋。

流傳最廣的解釋是：機翼上表面彎，下表面平，流過上下表面的空氣必然在相同時間內(nèi)到達尾緣，因此上方的氣流速度比下方的快。再根據(jù)伯努利定理可知，機翼上表面所受的空氣壓強低，下表面所受的空氣壓強高，這樣就產(chǎn)生了升力。

這種說法是完全不正確的，因為實際上，流經(jīng)機翼上下表面的氣流根本就不同時到達尾緣。

還有一種解釋是基于質(zhì)量守恒的。說機翼上表面凸，使上方的流通面積變小，因此流體加速并產(chǎn)生低壓。這種說法不能說完全不對，但如果定量地看，這種收縮產(chǎn)生的壓降微乎其微，真實機翼上表面的壓強則要低得多。

現(xiàn)在來分析一下“同時到達論”和“收縮通道論”的問題所在。通過風(fēng)洞吹風(fēng)實驗或者計算機數(shù)值模擬可以得到氣流通過機翼時的流動細節(jié)，比如下圖就是風(fēng)洞實驗結(jié)果。我們可以看到，在機翼附近，上方空氣的速度明顯大于下方，并且一直持續(xù)到尾緣。上方的空氣會率先到達機翼尾緣并離開，下方的空氣根本沒有機會追上，所以“同時到達論”是不成立的。

“同時到達論”其實是基于這樣一種認(rèn)識：站在地面看飛機飛過，不受機翼擾動的空氣都應(yīng)該保持靜止，轉(zhuǎn)換到相對機翼靜止的坐標(biāo)，這些未受擾動的空氣就都應(yīng)該具有同樣的速度，所以應(yīng)該同時到達機翼尾緣。

這種說法的主要問題是沒有意識到機翼對空氣的影響范圍是相當(dāng)大的。在遠上方和遠下方，空氣確實是同步行進，但這么遠地方的空氣已經(jīng)與機翼升力無關(guān)了。

同理，由于機翼對上方的擾動范圍非常大，上方的氣流遇到機翼后都向上偏移了，收縮效應(yīng)很微弱，所以“收縮通道論”也不成立。

下圖是根據(jù)實際流動畫出的空氣繞機翼流動的圖畫。

用伯努利定律來解釋機翼的升力是可以的，雖然流經(jīng)機翼上下表面的空氣不在一條流線上，但是在遠前方所有空氣的壓強和速度都相同，具有相同的機械能。并且對于機翼來說粘性對壓強的影響也可以忽略，完全滿足伯努利定律的應(yīng)用條件。

但伯努利定律雖然描述了流速和壓強變化的關(guān)系，卻并沒指出誰是原因誰是結(jié)果。按照牛頓定律來理解，力是速度變化的原因，是壓強下降產(chǎn)生了流速增加。所以我們可以認(rèn)為是機翼上表面先有了低壓區(qū)，然后才產(chǎn)生了來流的加速。那上表面的低壓區(qū)是怎么產(chǎn)生的呢？

可以理解為氣流沿彎曲的表面流動，需要向心力，這個向心力是壓差力提供的。遠離機翼沒受擾動的空氣壓強是大氣壓，則機翼表面附近的空氣壓強必然要低于大氣壓。或者說，彎曲的流線內(nèi)側(cè)的壓強一定比外側(cè)的低。

至于氣流為什么不走直線，而是要貼著彎曲的機翼上表面流動，就要歸因于科恩達效應(yīng)了。

所以，科恩達效應(yīng)才是升力的基礎(chǔ)。

機翼上方的低壓并不來自于氣流的收縮，而是來自于氣流的轉(zhuǎn)彎。我們知道，物體速度大小和方向的改變都對應(yīng)著受力，伯努利定律描述的是速度大小的改變與壓差力的關(guān)系，而速度方向的改變對應(yīng)的壓差力，是向心力，伯努利定律則沒有描述。

實際上，常見的流動中，轉(zhuǎn)彎產(chǎn)生的壓強變化經(jīng)常比收縮產(chǎn)生的要大得多，比如下面這個既有收縮又有轉(zhuǎn)彎的流動中，轉(zhuǎn)彎產(chǎn)生的壓強變化就明顯大于收縮產(chǎn)生的。

機翼的升力主要是由上表面產(chǎn)生的，上表面有大面積的低壓區(qū)，下表面則通常并沒有大面積的高壓區(qū)，甚至有些機翼的下表面也都是低壓區(qū)，只不過比起上表面壓強高一點。之所以機翼表面多數(shù)地方都低于大氣壓，這是流體的一種性質(zhì)，當(dāng)空氣繞物體流動的時候，物體表面大多數(shù)地方的壓強都是低于大氣壓的。

戰(zhàn)斗機的機翼下方密密麻麻地掛滿了導(dǎo)彈和炸彈，但是仍然可以飛。原因就是下表面對升力來說不太重要，如果把這些東西放在上表面，就會極大地影響升力，應(yīng)該是飛不起來了。

用牛頓定律也可以解釋機翼的升力，機翼對空氣施加力把空氣排向下方，空氣給機翼反作用力，這個力就是升力。機翼向下排空氣的方法，可以靠上表面“吸”（對應(yīng)上表面的低壓區(qū)），或靠下表面“壓”（對應(yīng)下表面的高壓區(qū)），或兩者都有。站在地面上看，飛機飛過后，被機翼帶動的空氣是朝下并且朝前運動的，朝下的氣流對應(yīng)機翼的升力，朝前的氣流對應(yīng)機翼的阻力。

既然機翼把氣流排向下方才能獲得升力，那么氣流離開機翼時的角度就是很重要的。能否讓氣流向下折轉(zhuǎn)一個角度是機翼是否能產(chǎn)生升力的關(guān)鍵。

在“同時到達論”中，經(jīng)常用簡單的上表面彎，下表面平的形狀來表示機翼。顯然這時下表面基本不會改變氣流方向，但上表面還是能使氣流向下轉(zhuǎn)折一點的，所以它也能產(chǎn)生一點升力。但如果能讓這個“翼型”迎角大一點，效果會更好。

一些特技飛機用的是對稱翼型，上下表面完全對稱，這時要產(chǎn)生升力，需要機翼有一個迎角。當(dāng)這種飛機倒著飛時，也是靠迎角來產(chǎn)生升力。

機翼的形狀設(shè)計主要并不是要升力大，而是要阻力小，升力與阻力的比稱為升阻比，升阻比大的機翼才是氣動性能好的機翼。

如果不在乎阻力而只想要升力，其實是很容易實現(xiàn)的。比如風(fēng)箏的形狀就不怎么重要，只要讓它保持與風(fēng)有一定的迎角就能產(chǎn)生足夠的升力。這時風(fēng)箏的阻力也很大，但是風(fēng)箏有線牽著，不需要動力，阻力大一點無所謂。

對于非專業(yè)人士來說，判斷翼型是否會產(chǎn)生升力的最簡單方法是看它能否把空氣排向下方。比如下面兩個圖，用“上表面路徑長”的判斷就失效了，但是我們可以根據(jù)機翼的導(dǎo)向，結(jié)合一點點流體力學(xué)知識，大概還是可以判斷出哪個有升力的。

很多空氣動力學(xué)專業(yè)的人士經(jīng)常不屑于用上表面壓力低，或者機翼把空氣排向下方來解釋升力，而是用庫塔-茹科夫斯基定理。

根據(jù)這個定理，翼型上必須有環(huán)量才會產(chǎn)生升力。環(huán)量的產(chǎn)生有一個條件，就是上下表面氣流會在尾緣匯聚并離開，這叫做庫塔條件。

在機翼剛起動的時候，機翼下方氣流會繞過尾緣與上方氣流匯合在上表面。但由于尾緣很薄，氣流繞它的離心力很大，會形成一個低壓旋渦，這個旋渦馬上就會被來流沖跑而脫落，形成的叫做起動渦。在機翼上同時生成一個與起動渦強度相同但轉(zhuǎn)向相反的渦，稱為機翼附著渦，也就是翼型上的環(huán)量，這個環(huán)量就對應(yīng)著機翼的升力。

從環(huán)量角度看，香蕉球所受的側(cè)向力和機翼升力的道理是相同的。

這種基于環(huán)量的解釋當(dāng)然是正確且嚴(yán)謹(jǐn)?shù)模粔蛑庇^，理解起來需要很多的專業(yè)知識，所以并不太適合用來科普。

需要說明的是，有專業(yè)人士在用環(huán)量解釋升力的時候，說用機翼上表面壓力低或機翼把氣流排向下方的解釋都是錯誤的，這就不應(yīng)該了。同一個現(xiàn)象可以有不同解釋，這些解釋只是所站的角度不同。

為什么不能都正確呢？

比如，地心說和日心說，可以都正確，也可以都不正確，只是個參考系的問題。

如果有讀者對升力的環(huán)量解釋感興趣，那一定是專業(yè)人士，應(yīng)該去看空氣動力學(xué)的書，這里就不進一步展開了。

空氣的粘性對于產(chǎn)生升力到底是不是必要的呢？是必要的。

實際上早在十八世紀(jì)，歐拉和達朗貝爾等一些科學(xué)家就已經(jīng)證明了，當(dāng)沒有粘性的流體流過物體時，既不能產(chǎn)生阻力也不能產(chǎn)生升力。也就是說，如果沒有粘性，流體對處在其中的物體的合力必然為零，物體表面所受的壓力必將互相抵消掉（不考慮重力產(chǎn)生的浮力）。

然而且慢，多數(shù)空氣動力學(xué)的書上可不是這么說的。書上說的是，無粘的流體可以在二維翼型上產(chǎn)生升力，只是不能產(chǎn)生阻力。

原因在于，書中在沒有粘性的基礎(chǔ)上，附加了一個庫塔條件，即流經(jīng)上下表面的流體必須在尾緣處匯合并離開。這個庫塔條件其實是需要流體有粘性才會出現(xiàn)的，只不過粘性可以非常小。

科恩達效應(yīng)在一開始也是需要粘性才會產(chǎn)生，當(dāng)流體已經(jīng)形成沿彎曲壁面的流動之后，就不需要粘性也可以保持了。

總的來說，當(dāng)已經(jīng)形成相對機翼定常的流動之后，不需要粘性就可以保持這種流動并產(chǎn)生升力，但粘性在一開始形成這種流動的時候起到關(guān)鍵作用。這就是很多書上說機翼產(chǎn)生升力不需要空氣有粘性的原因。

前面的描述都是低速的流動理論，對于超音速飛行，這些分析基本還都是成立的，但是物體在空氣中超音速運動時會產(chǎn)生激波，亞音速翼型沒有優(yōu)勢，反而是看起來奇怪的翼型升力效果好，比如菱形機翼。

限于篇幅，這里就不進一步分析超音速翼型了。

稠密的大氣是利用空氣來飛行的重要條件，航模和小型無人機的飛行速度很低，其機翼上下表面的壓強差還不到大氣壓的1%，就足夠托起自身的重量了。因為地表的大氣壓作用在1平方米上的力足有10噸重！民航客機有幾百噸重，但機翼面積有幾百平方米，且速度更快，靠壓強差托起也是沒問題的。

不過民航客機飛行在1萬多米的高空時，當(dāng)?shù)氐拇髿鈮褐挥械乇淼?0%，這時飛機就需要飛得快一點才能產(chǎn)生足夠的升力。

據(jù)說NASA已經(jīng)設(shè)計了火星上的飛行器，鑒于火星的大氣壓還不到地球表面的百分之一，可以想象這款直升飛行器肯定要很輕，并且旋翼葉片的面積要很大才行。

從牛頓定律角度來說，向下排出的流體動量必須足夠大才能產(chǎn)生相應(yīng)的升力，如果是向下排水的話顯然產(chǎn)生升力要容易得多，不需要很高的排水速度就能支撐飛行器的重量了。比如下圖這種通過向下排水來獲得升力的“飛行器”，就比排氣的容易實現(xiàn)，當(dāng)然它離不開水管，也只能娛樂用了。

還有一種在空氣中的飛行方式，既不需要反重力，也不需要比空氣輕，而且也不把空氣排向下方。

那就是很小的東西或者很輕的東西貌似是可以“漂浮”在空中的。比如楊柳絮、蒲公英種子、霧霾、氣溶膠等等。

這些東西都比空氣重，當(dāng)然是不可能真正飄著的，它們最終都會落回到地面上。只不過它們的下落速度非常緩慢，以至于就像一直飄著一樣。

這些東西“漂浮”的原理是：當(dāng)尺寸很小時，空氣粘性產(chǎn)生的阻力會非常顯著，以至于小顆粒的下落速度非常小時，空氣阻力就已經(jīng)等于它的重量了，它們就以很緩慢的速度勻速下落，稍有上升氣流，就又起來了。有關(guān)這部分內(nèi)容將在后面專題討論，這里說就跑題了，就不多說了。

但是，我還是忍不住要diss一下我的偶像劉慈欣先生。我喜歡看《三體》，劉慈欣先生在基礎(chǔ)物理方面的理解比我強太多了，不過對于流體力學(xué)呢，就......

劉慈欣先生有一本小說，叫《微紀(jì)元》，講的是未來人類把自己的尺寸變得很小，可以在空氣中自由地跳來跳去，完全不理會重力。這個其實是不對的，因為小尺寸對應(yīng)的是空氣阻力大。下落的速度很小是好事，不用擔(dān)心會摔死，但橫著移動的速度也大不了。自由地在高處跳來跳去是不可能的，跳出去就只能無助地在空氣中緩慢下落，或者只好拼命地在空氣中“游動”，是無法依靠慣性來前進的。因為強大的阻力平衡了重力，同時也平衡了慣性力，人將體會到細菌的“無助”，移動變成了一件很困難的事情。

這恐怕是《微紀(jì)元》無法彌補的硬傷。

對于機翼升力最易懂的解釋有兩種。

1. 由于科恩達效應(yīng)，機翼上表面壓力低，壓差力產(chǎn)生升力。

2. 機翼把空氣導(dǎo)向下方，靠空氣的反作用力產(chǎn)生升力。

這兩種解釋其實是一回事兒，因為機翼就是靠上表面壓力低來把氣流導(dǎo)向下方的。上表面氣流速度快是上表面壓力低產(chǎn)生的結(jié)果，上表面把氣流導(dǎo)向下方也是上表面壓力低的結(jié)果，它們都來源于科恩達效應(yīng)使氣流沿彎曲表面流動。