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飞机机翼上的升力是怎样发生的?甭说“伯努利原理”了

admin 2019-12-04 199人围观 ,发现0个评论

巨大的飞机之所以能够起飞,跟飞机机翼上产生的升力有关,但是即便看过了那么多飞机起起落落,很多人并不知道为什么机翼可以产生升力。

飞机受到的四个力

升力来源于空气与机翼的相互作用

乘坐过飞机的朋友都知道,飞机想要起飞需要首先要在航空发动机的推动下在跑道上加速,等到加速到一定的速度之后飞机才能够起飞。而之所以要这样做,就是为了让机翼和空气之间产生足够的相对速度,这样才飞机机翼上的升力是怎样发生的?甭说“伯努利原理”了能获得升力

飞机需要达到一定速度才会获得足够的升力

但是这依然不能解释全部问题:为什么机翼和空气之间产生相对速度之后就会产生升力呢?

而这个时候有些朋友可能这个时候要举手了,迫不及待地说:“我知道,之所以飞机机翼会产生升力跟伯努利原理有关!”这样的朋友可能接触过一些科普知识,但是很遗憾,这个答案是错误的。所以不用着急,且听我慢慢讲来。

为什么说“伯努利原理”不是升力的原理?

所谓的伯努利原理是由丹尼尔伯努利在1726年提出的一套关于流体力学的理论。简单说,在流体流动的时候,由于环境的变化流体流动速度会发生变化,但是流体在速度变化的同时压力也会发生改变。流速越快、压力飞机机翼上的升力是怎样发生的?甭说“伯努利原理”了越小;流速越慢、压力越大

管道收缩后水流速度加快但是水压下降

所以关于飞机机翼为什么能够产生升力有一套广为流传的理论:

当我们剖开机翼的时候可以发现机翼是一种上表面凸起、下表面平整的形状,当气流流过机翼的时候,上表面速度快、下表面速度慢,所以根据伯努利原理机翼下表面压力比上表面压力大,自然就产生了升力。

机翼上表面速度快、下表面速度慢

这样的说吉娃娃狗图片法有一定的道理,甚至于迷惑性很强,但是其中却有好几个致命的问题。

1,伯努利原理的本质是压力势能和流体动能的和保持守恒不变,而实际情况中,气体存在黏性,所以伯努利原理根本就不成立;

2,这种基于“伯努利原理”的解释有一个前提,就是气流流过上表飞机机翼上的升力是怎样发生的?甭说“伯努利原理”了面和下表面的时间是一样的,但是实际研究表明,气流流过机翼上下表面的时间并不相同,而且时间跟机翼上下表面的长度没有直接联系。

所以“伯努利原理”并非是飞机机翼升力产生原因的正确解答。

那么机翼升力的原理到底是什么呢?

我们需要把机翼分成上表面和下表面两个部分来观察。

当空气流经下表面的时候,会受到机翼的“阻挡”,从而被强制拐弯,原先是向后流动的,现在变成向斜下飞机机翼上的升力是怎样发生的?甭说“伯努利原理”了方流动;当空气流经上表面的时候,在流体黏性的作用下空气依然会被机翼的上表面“引导”着运动,所以自然而然地,也会被引导着向斜下方运动。

空气与机翼之间的相对作用

根据动量守恒定律,原本好好地向后流动的气体在机翼的作用下产生向下运动的趋势,所以气体反过来会给机翼一个向上的作用力,而这个作用力就是飞机机翼上飞机机翼上的升力是怎样发生的?甭说“伯努利原理”了产生的升力。

当然了,气体与固体之间的动量守恒定律最终都要反映到压强上,下面这张图就是机翼表面的压力分布。可以看到,机翼表面的压力分布非常复杂,远远不是一句“伯努利原理”可以解释的了的。

机翼表面的压力分布

当然,机翼上表面空气流速快、下表面流速慢这个结论是正确的,机翼上表面压力小、下表面压力大这个结论也是正确的,但是这不代表是用伯努利原理可以解释飞机机翼升力产生的原因,伯努利原理也完全不能解释机翼表面空气流动速度的分布,这需要通过更加复杂的N-S方程才能够描述。

全套的N-S方程

显然,相较于N-S方程,对于普通人来说,从动量守恒定理来理解机翼升力产生的原因是再合适不过了

总结一下

空气复杂的物理性质和机翼的复杂形状决定了空气在机翼附近复杂的流动,需要通过复杂的N-S方程才能够计算出来具体的规律(看看这里面有多少个“复杂”),所以不是一句“伯努利原理”可以解释的。

但是无论流动多么复杂,如果我们从动量守恒的角度出发就可以很容易理解为什么机翼能够产生升力,简单说就是机翼在与空气产生相对运动的过程中迫使空气产生向下运动的趋势,所以空气会反过来给机翼一个向上的升力、托举起整个飞机——这就是机翼能够产生升力的最简单的解释。

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