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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( 二 )



『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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用伯努利原理解释机翼升力的缺陷
除了用伯努利的理论来解释升力外 ， 科学家还试图用另一种理论来解释这种力的来源：牛顿的作用力和反作用力原理 。 根据这个定律 ， 当机翼向下推空气 ， 有质量的空气会产生一个大小相等、方向相反的向上推力 ， 也就是升力 。 因此 ， 理论认为机翼是通过推动空气使飞机产生升力的 。 这个理论适用于任何形状的翅膀 ， 弯曲的或平坦的 ， 对称的或不对称的 。 同时 ， 这个理论也适用于正常飞行 ， 或者翻过来飞行的飞机 。 因此 ， 牛顿第三定律对升力的解释比伯努利原理更全面 ， 也能应对更多情况 。
『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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但就理论本身而言 ， 作用力和反作用力并不能解释机翼顶部的低压区 ， 而这一区域的存在也与机翼是否弯曲无关了 。 只有当飞机着陆停止飞行后 ， 机翼上方的低压区才会消失 ， 使顶部和底部变得一样 ， 恢复到周围的气压 。 但是 ， 只要飞机在飞行 ， 低压区就是空气动力学无法忽视的因素 ， 必须加以解释 ， 才能说明飞机为什么能飞起来 。
『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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因此 ， 无论是伯努利原理还是牛顿第三定律 ， 从各自的角度出发 ， 它们都是正确的 ， 两者并不相互矛盾 。 然而 ， 问题在于 ， 任何一个理论都无法完整地解释升力 ， 两者结合起来也不行 ， 因为两者都遗漏了一些东西 。
理论发展史
要知道 ， 伯努利和牛顿都没有想过用自己的理论可以解释飞机的升力 。 他们各自生活的时代距离飞行时代还有很长一段时间 。 当莱特兄弟成功将飞机飞上天后 ， 同时代的科学家迫切地需要理解空气动力学中的升力 ， 解释飞行背后的秘密 ， 这两种理论才因此被重新发现和套用 。
20世纪初期 ， 有几位英国科学家推进了升力的技术和相关的数学理论 。 他们认为 ， 空气是一种完美的流体 ， 这意味着它不可压缩 ， 粘度为零 。 虽然这与空气的实际特性有区别 ， 但对需要理解和控制机械设备飞行的科学家而言 ， 做出这样的假设也是可以理解的 ， 因为这会使数学计算变得更简单、更直接 。 但这种简化也需要付出相应的代价：在理想的不可压缩气体中 ， 无论算出的翼型在数学上多么成功 ， 实际应用时都会表现出各种缺陷 。
阿尔伯特·爱因斯坦（Albert Einstein）也曾致力于研究升力问题 。 1916年 ， 爱因斯坦给出了一个基于不可压缩和无摩擦流体（也就是理想流体假设）的解释 。 虽然没有提到伯努利的名字 ， 但他给出了一个与伯努利原理基本一致的解释 。 他说 ， 流体压力在速度较慢的地方更大 ， 反之亦然 。 为了利用这些压力差 ， 爱因斯坦提出了一种机翼顶部略带隆起的设计 ， 这样的形状可以增加隆起部位的气流速度 ， 从而降低那里的压力 。
爱因斯坦或许认为 ， 基于理想流体的分析同样适用于现实世界的流体 。 1917年 ， 在理论的基础上 ， 爱因斯坦设计了一种被称为猫背翼（cat's-back wing ， 因为它的形态类似于正在伸懒腰的猫）的翼型 。 随后 ， 他把设计方案带给柏林的飞机制造商LVG。 这家公司围绕设计方案制造了一架新的飞行器 。 但试飞员却报告说 ， 这架飞机在空中摇摆不定 ， 就像“一只怀孕的鸭子” 。 1954年 ， 爱因斯坦表示 ， 当初短暂涉及航空业的行为更像是“年轻人的愚蠢行为” 。
完备的升力理论？
如今 ， 设计飞机的科学方法是利用计算流体动力学（computational fluid dynamics ， CFD）模拟 ， 以及计算充分考虑了真实空气实际粘性的纳维-斯托克斯（Navier-Stokes）方程 。 CFD模拟获得的结果和上述方程的解能够预测压力分布模式 ， 给出气流形态和定量的结果 。 现今的飞机设计领域已经非常先进 ， 可以说这些技术就是行业的基础 。 然而 ， 它们本身并没有对升力做出物理的、定性的解释 。


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