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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( 三 )


『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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近年来 ， 美国知名空气动力学家道格·麦克莱恩（Doug McLean）试图超越纯粹的数学形式 ， 着手处理飞行过程中的物理关系 ， 这种关系或许可以解释升力在现实中表现出的各种特性 。 2012年 ， 他在自己的书中对机翼升力提出了全新的解释 。
在解释升力时 ， 麦克莱恩也是从空气动力学中最基本的假设开始的：机翼周围的空气作为“一种连续的介质 ， 会根据翼型的不同产生形变” 。 这种形变会以机翼上方和下方各自出现的流体形式存在 。 麦克莱恩写道：“在一个被称为压力场的大区域内 ， 机翼会对气压产生影响 。 ”当产生升力时 ， 机翼上方总是会形成低压的扩散气团 ， 机翼下方通常形成高压的扩散气团 。 当这些气团作用于机翼时 ， 就构成了对机翼产生升力的压差 。
在整个过程中 ， 机翼向下推动空气 ， 导致气流向下偏转 。 机翼上方的空气按伯努利原理被加速 。 机翼下方有一个高压区 ， 机翼上方有一个低压区 。 这意味着 ， 在麦克莱恩对升力的解释中 ， 有4个必要的组成部分：气流向下转向 ， 气流速度增加 ， 低压区和高压区 。
可以说 ， 这4个要素之间的相互关系是麦克莱恩的叙述中最新颖、最独特的地方 。 他写道：“它们在互为因果的关系中互相支持 ， 其中任何一个要素的出现均离不开另外3个要素 。 ”压差对翼型施加升力 ， 而气流向下转向和流速变化维持着压差 。 正是在这种相互影响的系统中 ， 出现了麦克莱恩解释的第5个要素：4个要素之间的相互作用关系 。 这4个要素似乎必须同时出现 ， 相互影响 ， 相互诱发 ， 才能相互维持 。
『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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这种协同方式似乎有一种魔力 。 在麦克莱恩的描述中 ， 就像是4个活跃的个体 ， 只有互相帮助才能在空气中共同维持 。 或者说 ， 正如他所承认的 ， 这是一个“循环因果”的案例 。 但是 ， “相互作用的每一个因素是如何维持和加强其他因素的呢？”是什么导致了这种互动、互惠、相互影响的动态体系？麦克莱恩的答案是：牛顿第二运动定律 。
牛顿第二定律指出 ， 物体或流体的加速度与施加在物体上的力成正比 。 麦克莱恩说：“牛顿第二定律告诉我们 ， 当压差对流体团施加一个合力时 ， 必然会导致流体团运动的速度或方向（或两者）发生变化 。 ”但反过来 ， 压差的存在与否和大小变化也是由流体团的加速情况决定的 。
我们在这个过程中凭空获得了一些能量吗？麦克莱恩认为并没有 ， 如果机翼处于静止状态 ， 这套相互强化体系中的任何一个因素都不会存在 。 只有当机翼在空中移动时 ， 每个流体团才会影响所有其他的流体团 。 整个飞行过程支撑了这套相互刺激、相互依存的因素的存在 。
改进升力理论
提出这个解释后不久 ， 麦克莱恩意识到他还没有完全考虑空气动力学中与升力相关的所有因素 ， 因为在解释机翼上方的压力为什么会与周围环境不同时 ， 无法令人信服 。 因此 ， 麦克莱恩在2018年11月刊的《物理教师》（The Physics Teacher）杂志上发表了一篇文章 ， 对空气动力中的升力提出了“全面的解释” 。
虽然这篇文章在很大程度上重申了麦克莱恩之前的论点 ， 但他也做了进一步的尝试 ， 试图更好地解释是什么导致了压力场的不均匀 ， 为什么会呈现这种特有的物理形态 。 另外 ， 他的新论点还引入了流场（flow field）级别的相互作用 ， 认为这种非均匀压力场是由一种作用力造成的 ， 也就是机翼施加在空气上的向下的作用力 。
无论是在他的书中 ， 还是在后续的文章中 ， 麦克莱恩是否完整而正确地解释了升力的机制 ， 还有待进一步解释和讨论 。 我们也可以看出 ， 由于种种原因 ， 很难对空气动力学升力作出清楚、简单和令人满意的解释 。


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