机翼升力是如何产生的——错误理论(3)

作者:网站采编

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先看一下模样，左边的人是伯努利，右边的人是牛顿。牛顿在数学和物理方面很牛，1666年发现地心引力，那时才23岁。20年后，又出版了自然哲学的数学原理，提出了著名的三大定律。他和莱布尼兹还各自发明了微积分；伯努利虽然学医出生，但同样在数学和物理方面很厉害，1724年他24岁的时候就出版了一本关于水流的数学著作。1738年他在《水动力学》提出了他的著名方程。之后他和他的学生欧拉在数学和物理方面做过大量工作。要说明的是，牛顿和伯努利没有提出过这些错误理论，也从未企图解释物体的气动升力。

当气流流过物体，或者当物体在气流中运动时，气体分子可以在物体四周自由活动，这一点和固体很不一样。这些分子的运动，就形成了特定方向的气体速度。物体四周，不同位置的速度可能相差很大。伯努利方程把这个速度和当地压力建立起联系，速度改变，压力也会随之变化。把整个物体表面的压力加在一起，就获得了物体在流场中的受力。垂直来流方向的分量，叫升力；平行来流方向的分力，叫阻力。采用类似的方法，也可以把物体四周所有的速度变化累加起来，累加之后我们会得到一个净的气流偏转。从牛顿第三定律可知，要让气流偏转，必然有与之对应的反作用力，作用在机翼上的反作用就造成升力。因此“伯努利”和“牛顿”都是正确的，累加压力和累加速度两种方法都可以，得到的力都一样。

那问题在哪里？问题来自对问题的过度简化和对方程的错误运用。比如最常见的“长距离”或“等时间”理论，该理论说机翼的上表面设计的比下表面长，气体分子在上面要走更长的路才能和下表面的分子同时到达，然后该理论用伯努利方程得到上方的低压和下方的高压，进而解释升力的产生。这个理论的错误在于对上方气流速度的错误估算，实际上机翼上方的气流速度要比这个理论的预测值高很多。如果我们知道正确的速度，我们当然能用伯努利方程算出升力，但“等时间”理论并不能给出正确的速度来；另一个理论，企图用“文丘里”管的理论推测气流速度，也给不出正确的速度，因为机翼上方形成不了文丘里管；第三个错误理论，把牛顿第三定律用于机翼底面，将升力解释为石头打水漂类似的现象，忽略了机翼上下方同时起作用这一事实。

物体如何产生升力，真实细节非常复杂，不那么容易简化。对于气体，我们不得不同时考虑流动过程中它们的质量、动量和能量守恒。牛顿方程描述了动量守恒，伯努利方程由能量守恒推导出来，它们都是对的，都可用于描述升力的产生。而质量守恒带来了一些复杂性，要保持质量守恒，某一方向的速度改变，会导致垂直于这一方向的速度变动。这一点和固体的运动非常不同，而固体的运动方式，是我们日常经验的来源。完整的描述气体的运动，我们必须用到欧拉方程（忽略气体粘性），如果要考虑粘性，气体的运动需要用Navier-Stokes方程描述。要想真正理解升力产生的细节，我们要搞懂这套欧拉方程。

（译者：等于什么都没说。。。）

文章来源：《水动力学研究与进展》 网址: http://www.sdlxyjyjzzz.cn/zonghexinwen/2021/0428/586.html

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