瘾科学：飞机为什么会飞？

更多精彩请到 http://www.139ya.com

转自: http://cn.engadget.com/2009/03/23/on-flight/




「这个我知道！高中有学过嘛，就是因为机翼的形状的关系，气流从上面流过必须要走比从下面流过长的距离，但最后上下气流又必须在机翼后缘汇合，因此机翼上侧的气流势必要比较快。依照伯努力定律，流速快的流体气压低，所以机翼上方就会产生一个底低压区，将飞机整个向上拉！这就是飞机会飞的原理啰～」

或至少，高中是这么学的。如果真的是这样的话，小姜就不用费事特地写一篇瘾科学啰 XD。仔细的想一想，就会发现一些疑点。举例来说，为什么机翼要做成前面厚，后面薄的形状？如果真的只要上面流过的的路径长就有升力的话，那中间厚，前后薄应该也能飞啊？后面厚也可以啊？为什么一定要前面厚？而且，如果真的是这样的话，飞机只要在跑道上一直加速，就会自动飞起来了，为什么要在最后有拉高机头「起飞」的动作？还有，为什么伸出去的襟翼（起飞降落时从机翼上伸出去的那几片额外的翼面）是渐次往下倾斜的？依照上面的原理，伸出去的襟翼是平的就好了啊？

显然的，一定哪里有问题...


上面这个影片，直接就让传统解释当中最主要的一个论点 -- 机翼上下的气流会汇合 -- 这点垮台了。机翼上下的气流根本就是照着各自的流速在流，没有汇合的问题。

所以对于飞机真正会飞的原因，目前的解释倾向于这样，只有两个部份：

1. 流体倾向于贴着表面流动 -- 这称为柯恩达效应（Coandă effect，亦称康达效应或附壁效应），简单来说，当流体流过弯曲的表面时（想象水从汤匙的下方流过），表面上上微小的阻力，会导致流体的速度变慢，让流体顺着弯曲的表面流动。
2. 上翼面前高后低 -- 这点，再加上上述的柯恩达效应，会导致气流离开上翼面时，角度是略为向下的（称为下洗，Downwash）。就是这一点点的向下推力，让飞机飞起来的。简单吧？

延伸来说，向下推力的多寡，取决于飞机机翼的「攻角」，或是机翼和气流之间的角度。上面的影片也有示范攻角增加时的效果，虽然攻角增加时下洗气流的强度有 所增加，但流过上侧的气流会打到流过下侧的气流，在机翼后面形成乱流。如果攻角高到某个程度后，就会发生所谓的「气流剥离」，即柯恩达效应的消失 -- 气流不再贴着机翼上侧流过，下流气流丧失，飞机也就飞不起来了。这种现象，称为「失速」。






所以襟翼的功能就很容易理解了。它是在不使气流剥离的前提下，增加下洗气流的角度，增加升力。因此襟翼才会是向下倾斜的啰！

等等，所以说高中课本提的那一套完全是错的吗？其实也不尽然。回想一下影片里，从机翼上方流过的气流不仅走的距离比下面远，而且还比下方流过的气流更早到达机翼后端。这意思是说，不仅上方流过的气流比下方流快，而且比传统的看法还要更快。这无疑的会对机翼产生一定量的升力，但究竟有多少，还有待商确。只能说，这真是门复杂的学问阿...

搞到最后，根本还是不知道为什么飞机会飞嘛！事实上确实是如此。飞机的各个部份的形状都有可能影响升力不仅是机翼，机身的形状也会有影响。此外，机翼的形状也会在不同的速度下有不同的反应，例如三角翼适合超音速飞行（因为机翼整个在锥状声波面里），后掠翼适合高次音速巡航，特技飞机则是方形的一片比较稳定，这也不是光用侧截面图就能说明的。唯一能安全地确定飞机表现的方式，就只有靠经验、风洞测试和计算机仿真了。即使是今天，我们对翼尖气流仍然还是不那么了解呢！

如果大家有兴趣的话，可以去 NASA 的 Glenn Research Center 网站，里头有个很简单的机翼模拟 Applet FoilSim，让你可以设定一些数据，看看能提供多少升力。英文 OK 的人，可以试试这个进阶版，里头有更多的设定喔！下面是简单版的简单说明：




Speed-mph：时速，单位是英里／小时。速度越快，升力越大。
Altitude-ft：高度，单位是英尺。高度越高，空气越稀薄，升力越小。
Angle-deg：机翼的攻角。攻角增加时，升力会先渐渐增加，直到气流分离时，升力会骤降。
Camber-%c：机翼的「拱起」度。看起来，似乎是拱起度越高，升力越大。
Thick-%crd：机翼的厚度和长度之间的比例。机翼越厚，升力越大（但影响似乎很小）。
Area-sq ft：机翼面积，单位是平方尺。面积愈大，升力越大。

当然，这里只是单纯讲「升力」。和升力相对的是，升力越大，阻力也会越大，所以机翼设计时通常不会以高升力为第一考虑。