让我们讨论一下飞机是如何飞行的

飞机是如何在空中飞行的？无论你是否在飞行时思考过这个问题，它仍然是一个令人着迷的复杂话题。下面简要介绍一下飞机飞行所涉及的物理原理，以及围绕这一主题的一个误解。

首先，想象一架飞机——一架商用客机，如波音或空客运输机——在天空中稳定飞行。这种飞行需要平衡各种反作用力。“机翼产生升力，升力抵消飞机的重量，”剑桥大学空气动力学教授霍尔格·巴宾斯基说。

普渡大学航空航天学院院长威廉克罗斯利说：“升力（或向上）必须等于或大于飞机的重量，这才是让飞机在空中飞行的原因。”

与此同时，飞机的发动机为其提供所需的推力，以抵消周围空气摩擦产生的阻力。“当你向前飞行时，你必须有足够的推力来至少等于阻力——如果你在加速，推力可能高于阻力；如果你在减速，推力可能低于阻力——但在稳定的水平飞行中，推力等于阻力，”克罗斯利指出。

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首先，要理解飞机机翼如何产生升力则有点复杂。“媒体通常总是追求快速而简单的解释，”巴宾斯基反思道。“我认为这让我们陷入了困境。”一种流行的解释是错误的，它是这样说的：机翼弯曲顶部上方的空气流动距离要比下方的空气流动距离长，因此，机翼下方的空气流动速度会加快，以跟上机翼底部的空气流动速度——就好像两个空气粒子，一个在机翼上方，另一个在机翼下方，需要神奇地保持连接。NASA 甚至专门为这个想法建立了一个网页，将其称为“错误的翼型理论”。

那么正确的思考方式是什么呢？

帮忙

开始思考这个问题的一个非常简单的方法是想象你坐在汽车的副驾驶座上。将手臂向侧面伸出，迎着迎面而来的风，手掌朝下，拇指朝前，手与地面基本平行。（如果你在现实生活中这样做，请小心。）现在，将手向前稍微向上倾斜，这样风就会吹到你的手掌下面；将手向上倾斜的过程近似于机翼的一个重要概念，即迎角。

“你可以清楚地感受到升力，”巴宾斯基说。在这个简单的情况下，空气撞击你的手掌底部，向下偏转，从牛顿力学的角度看（见第三定律），你的手被向上推。

跟随曲线

但机翼的形状当然不像你的手，还有其他因素需要考虑。机翼有两个关键点需要牢记：机翼前部（前缘）是弯曲的；总体而言，从横截面看，机翼还呈现出一种称为翼型的形状。

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机翼弯曲的前缘很重要，因为气流倾向于“沿着弯曲的表面流动”，巴宾斯基说道。他说他喜欢通过将吹风机指向桶的圆边来演示这一概念。气流将附着在桶的弯曲表面上并转弯，甚至可能吹灭被桶挡住的另一侧的蜡烛。这里有一个迷人的老视频，似乎演示了同样的想法。“一旦气流附着在弯曲表面上，它就会一直附着在那里——[尽管]它不会永远附着在那里，”他指出。

有了机翼——想象一下它稍微向上倾斜，就像你的手伸出车窗外一样——空气就会遇到圆形前缘。“在上表面，空气会附着在上面，然后弯曲，实际上会非常准确地遵循那个入射角，”他说。

保持低压力

最终，机翼上方流动的空气会附着在弯曲的表面上并发生转向，或者说向下流动：形成低压区，空气也会流动得更快。与此同时，空气会撞击机翼下侧，就像风吹到伸出车窗的手一样，形成高压区。瞧：机翼上方是低压区，下方是高压区。“这两个压力之间的差异给我们带来了升力，”巴宾斯基说。

该视频很好地描述了整个过程：

巴宾斯基指出，机翼上方的低压区域比机翼下方的高压区域做功更多。你可以认为机翼在顶部和底部都使气流向下偏转。在机翼下表面，气流偏转“实际上小于上表面的气流偏转”，他指出。“对于大多数翼型，一个非常粗略的经验法则是，三分之二的升力是在那里（在上表面）产生的，有时甚至更多”，巴宾斯基说。

你能最后一次帮我把一切都整理好吗？

当然！美国宇航局艾姆斯研究中心的航空工程师格洛丽亚·山内 (Gloria Yamauchi) 是这样解释的。“所以我们有一架飞机，在空中飞行；空气接近机翼；它被机翼前缘的气流转向，”她说。（她说的“转向”是指它改变方向，就像汽车在路上行驶时迫使空气改变方向绕过它一样。）“当空气经过机翼表面时，其速度会发生变化，无论是上方还是下方。”

“一般来说，机翼顶部的速度大于机翼下方的速度，”她继续说道，“这意味着机翼上方的压力低于机翼下方的压力，而压力差会产生向上的升力。”

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这个故事已更新。它最初于 2022 年 7 月发布。