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『丹尼尔·伯努利』飞机为什么能飞起来？直到今天，科学家仍然没有答案

【『丹尼尔·伯努利』飞机为什么能飞起来？直到今天，科学家仍然没有答案】
撰文 | 埃德·里吉斯（Ed Regis）
翻译 | 白晨媛
审校 | 吴子牛
是什么产生了空气动力学中的升力（lift）？各家的看法并没有达成一致 。 科学家提出了两种不同的理论来解释升力 。 问题是 ， 这两种非技术性的理论本身并没有错 ， 但两者都没有提出一个可以解释升力各个方面的完整理论 。
要完美解释空气动力学中的升力似乎是不可能的 。 要考虑飞机抬升过程中的所有作用力、影响因素和物理条件 ， 而不留下无法解释或未知的问题 ， 这种理论真的存在吗？
『丹尼尔·伯努利』飞机为什么能飞起来？直到今天，科学家仍然没有答案
本文插图
在美国航空航天局埃姆斯中心流体力学实验室中 ， 科学家用水槽试验测试飞机表面的流场 。 图片来源：伊恩·艾伦（Ian Allen）
有缺陷的经典理论
到目前为止 ， 对升力最流行的解释是伯努利原理 ， 这是瑞士数学家丹尼尔·伯努利（Daniel Bernoulli）在1738年发表的专著《流体动力学》（Hydrodynamica）中提出的一种原理 。 简单地说 ， 伯努利原理指出：流体的压力会随着速度的增加而减小 ， 反之亦然 。
飞机的机翼上方有一种特殊的凸起 ， 专业术语称为翼型（airfoil） 。 因为这种弯曲的存在 ， 与流经机翼平坦下表面的空气相比 ， 流经弯曲上表面的空气速度更快 。 科学家认为 ， 按伯努利原理 ， 机翼上表面流体速度的增加导致那里的气压降低 ， 以此产生了向上的升力 。

『丹尼尔·伯努利』飞机为什么能飞起来？直到今天，科学家仍然没有答案
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无论是风洞实验（主要观察由烟气粒子显示出的轨迹流线）、喷管还是文丘里管（Venturi tubes ， 一种真空发生装置）等实验 ， 都给出了海量的经验数据 。 这些数据有力地证明了伯努利原理的正确性 。 然而 ， 伯努利原理本身并不能完全解释升力 。 尽管实际经验表明 ， 在弯曲的表面上空气流动的速度确实更快 ， 但伯努利原理却无法解释为什么会出现流速变快的现象 。 换句话说 ， 这个定理并没有说明机翼上方的高流速是如何产生的 。
一个众所周知的演示 ， 在很多网络平台 ， 甚至一些教科书中都曾反复出现过 ， 它宣称可以“展示”伯努利原理 。 在这个演示中 ， 实验人员会将一张纸水平地放在嘴前 ， 并用气吹动它上表面 ， 此时 ， 纸面会上升 。 人们以此说明确实存在伯努利效应 。 可是 ， 当你吹纸的下表面时 ， 纸面还是会上升 。 按理说 ， 纸张会应该出现相反的结果 ， 因为纸张下部的气流应该把纸往下拉 。
霍尔格·巴宾斯基（Holger Babinsky）是英国剑桥大学空气动力学教授 ， 他指出：一侧的气流会让弯曲纸面升起 ， “这并不是因为空气在纸面两侧的流速不同” 。 为了说明这一点, 你可以吹一张平直的纸张来验证这一切 。 例如 ， 吹一张垂直悬吊的纸张 ， 看它是不是既不向一侧移动也不向另一侧移动 。 毕竟 “尽管气流速度明显存在差异 ， 但是纸张两侧的压力却是一样的” 。
伯努利原理的第二个缺点是 ， 它并没有说明机翼上部高速流动的空气为什么会形成更低的压力 ， 而不是更高的压力 。 毕竟 ， 当机翼向上移动时 ， 空气理应被压缩 ， 机翼顶部的压力应该会增加 。 在日常生活中 ， 这种“瓶颈现象”通常会让事情变慢 ， 而不是加速 。 例如 ， 在高速公路上 ， 当两条或多条车道合二为一时 ， 道路上的车辆不会开得更快 ， 而是会出现车流减速的现象 ， 甚至可能发生交通堵塞 。 在机翼上表面流动的空气分子却不是这样的 ， 但是伯努利原理却并没有说明白为什么会形成这种现象 。
第三个问题特别关键 ， 可以证明伯努利原理对升力的解释是不对的：一架具有弯曲上表面的飞机翻过身来也能飞行 。 这种情况下 ， 弯曲的机翼表面变成了底面 。 根据伯努利原理 ， 机翼的下表面的压力会降低 ， 当这个低压环境结合重力作用 ， 应该会产生一个向下拉动飞机的效果 ， 而不是支撑它继续飞行 。 但是 ， 无论是具有对称翼型的飞机（其顶部和底部的曲率相当） ， 还是上表面和下表面均为平坦翼型的飞机 ， 只要机翼遇到迎面而来的风 ， 并且配合适当的迎角 ， 都能翻过来飞行 。 这意味着 ， 伯努利原理本身并不足以解释升力产生的原因 。


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