“伯努利原理”的误解
伯努利是一位数学家和物理学家,他在1738年发现,当流体的流速提高,表面的静压力会降低。
这个现象称为“伯努利原理”,而几乎所有的物理学教材和科普文章,都使用这个原理,讨论机翼升力的产生。
为了解释这个原理,通常,他们首先会让你拿出两片纸,并用力在纸的中间吹气,瞧,两张纸像粘在一起了!
机翼的上表面是拱起的,而下表面是平坦甚至凹进去。
当气流通过机翼表面,机翼上方空气流速较快,而下面空气流速较慢。
根据“伯努利原理”,下面气流造成的静压力大于上方气流的压力,于是,机翼受到一个向上的作用力,飞机就飞了起来。
遗憾的是,这是完全错误的。
而使用“伯努利原理”解释飞机的升空也是“白努力”。
伯努利效应可以解释一部分升力的来源,但这是非常小的一部分。
如果飞机仅仅根据“伯努利原理”飞行,机翼形状必须非常“拱起”,或者,必须要飞得非常快才行。
飞机的升力主要由另外两个效应提供。
一个是康达效应;另一个是气流冲击效应。
康达效应指的是,气流流经机翼曲面时,气流会紧贴机翼表面(这当然也有一点伯努利效应的含义)。
这样,机翼的形状有效地改变了气流的方向,使离开机翼的气流相对飞机作向下的高速运动。
机翼推开气流,但这个运动受力的反作用力作用于机翼上,相当于气流也在推开机翼,这个力使得机翼向上举起。
另一个重要的效应是气流冲击效应。
当一块平板的方向不是与气流运动方向严格垂直,那么,平板会受到气流的冲击。
飞机的机翼与其自身有一定倾角4°左右,特别是,当飞机起飞时,要把机头高高抬起,形成更大的倾角,这样在低速时,也可以获得较大的气流冲击效应,以便使几十吨的飞机起飞。
但是,机翼的倾角并不是完全用于提供升力,更多的是为了维持飞机本身的气动布局,以保证飞机在飞行时候的气动平衡。
飞机是一个非常复杂的气动力学系统,设计师必须保证飞机载x,y,z几个方向上受力平衡。
这就是飞机为什么需要机翼、尾翼、垂直尾翼的原因(那种像飞碟一样的无尾翼飞机设计起来是非常麻烦的);此外,为了操控飞机,机翼上都开有活动襟翼,因此要仔细分析飞机的受力很不容易。
这也是飞机设计原型为什么要进行风洞试验的原因。