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机翼升力是如何产生的——错误理论

来源:水动力学研究与进展 【在线投稿】 栏目:综合新闻 时间:2021-04-28

关于飞机机翼如何产生升力有多种理论,可惜的是,很多百科全书、网站,甚至一些教科书上的理论都是错误的。

要讲的第一个错误理论是其中传播最广的一个理论,可称为“长路径”理论或“等时间”理论。

根据这个理论,机翼的上表面长度比下表面长度长,上面的气流比下面的气流要走更远的路,才能在机翼末尾汇合。因此,机翼上面的气流要走的快一些才能赶得上。因为上面的气流走的快,根据伯努利方程,压力就会低一些,这样上下两个面就会有压力差,就产生了升力。

本着实事求是的精神,在评判这个理论之前,我们先看看机翼周围实际的气流情况。

下面来逐条批驳一下这个错误理论:

1. 机翼被设计成上面长下面短

并不总是这样。在我们的实验中,使用对称的机翼(这种机翼上下两个面长度相等)也可以产生可观的升力。可以想象一个纸飞机,它的机翼只是一个平板,上下面绝对相对,也可以飞的很好。这个理论的起源可能是因为早期飞机的机翼形状就是这样:上面长下面短。这种老式机翼确实能产生升力并改变气流方向。但重要的是气流方向的改变,而不是上表面更长。现代的一些飞机,出于降低阻力的原因,它的机翼下表面设计的更长,也能飞起来哦。此外还有一个事情,这个理论无法解释为何飞机倒过来也能飞,这种情况在航展或空战情况常常能看到。

2. 上方的气流比下方的气流运动的快

实验显示上方的气流确实比下方的气流速度快,但真相是:上方的气流太快了,下方的气流根本来不及和上面的气流汇合。也就是说,在机翼前面分叉的两股气流根本不会同时在尾缘汇合。因此可以说,这个理论的物理前提是错误的。另外,按照这个理论,计算出来的升力值要比实际的升力值小很多,而实际机翼上方的气流速度,也要比这个理论预测的值大很多。

3. 上方的速度快所以压力低,两个面的压力差形成升力

部分正确。实际上这个理论被广泛传播就是因为它部分是对的,确实,如果我们知道了气流上某处的速度,就能推算出那个点的压力来。但问题是这个理论无法给出正确的气流速度出来。真正的压力分布是这样的:

第二个错误的理论叫”滑石”理论,在网站和杂志里可经常看到。

此理论认为,飞机在空气里飞,跟我们用石块在水面上打水漂差不多,水对石块下面的反作用力使石块漂浮。同样,气体对机翼底面的反作用力让飞机不落,形成升力。这个理论由于提到了牛顿第三定律,有时也叫牛顿升力理论,但为了不和正确的牛顿定律搞混,我们还是把它称为”滑石”理论。

讨论这个理论之前,可以用我们的模拟器观察一下机翼周围的实际流动。(这个模拟器可以从网站下载,能得到不同机翼外形、攻角、速度下的升力。界面是这样的↘)

FoilSim II program

现在我们来逐一评判这个理论:

1. 这个理论只讲了机翼底面和空气的相互作用

它假设所有的流动和因此形成的升力都由底面产生。但我们的实验证明,机翼顶面也会对此有影响。实际上,对于机翼造成的下沉气流,上表面的贡献更多些,显然这个理论不能反映这一点。

2. 这个理论无视气流在机翼上方的作用,它不能预测当攻角为负时升力朝下这一事实(见下图模拟器结果)。