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机翼是如何产生升力的

气流掠过机翼时,会被弯曲的上表面折转、加速,压力随之下降; 而下方较慢的气流保持着较高的压力。在这幅图上,机翼上方是更快的青色气流和它矮矮的低压液柱, 下方是较慢的橙色气流和它高高的高压液柱——正是这个压力差把机翼向上推。

伯努利原理 · 机翼是如何产生升力的 上方气流更快 → 压力更低 → 产生向上的升力 升力 p₂ p₁ 快速气流 · 低压 慢速气流 · 高压 青色 = 气流更快、压力更低 · 橙色 = 气流更慢、压力更高
气流掠过机翼发生了什么 气流到达机翼 → 分成上、下两股 → 上方气流加速 → 上方压力降低 → 向上推成升力
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详细说明

什么是升力?

升力是让机翼把飞机托住、抵抗重力的向上的力。它并不是储存在机翼里的力,而是由流过的空气被偏转的过程持续产生的。机翼是一个有特定形状的横截面(翼型):上表面平缓地弯曲,下表面较为平直。

当机翼在空气中向前运动时,空气掠过它。一部分气流被引导着掠过弯曲的上表面,在那里被折转、加速;其余的气流从较平的下表面流过,速度较慢。流速越快压力越低,于是上表面的压力低于下方,下方较高的压力便把机翼向上推。

如何读这幅图

图中是一个翼型,气流从左向右。上方青色的流线画得更快,矮矮的青色测压管液柱(p₂)表示那里压力低;下方橙色流线更慢,高高的橙色液柱(p₁)表示压力更高。上方短短的青色压强箭头与下方较长的橙色箭头反映了同一个压力不平衡,蓝色箭头则表示由此产生的升力。

为什么它重要

升力让飞行成为可能。同一种“速度与压力此消彼长”的关系,也解释了直升机旋翼、风力发电机叶片、螺旋桨,以及赛车用于增加下压力的翼片——它们都是通过塑造气流来获得有用的力。

部件及其作用

1. 气流到达机翼

机翼是一个翼型:前缘圆钝、后缘尖锐的平滑横截面。当它向前运动、或者空气被吹过它时,一股稳定的气流到达前缘。在这幅图上,气流从左向右,在中部与机翼相遇。

2. 气流分成上、下两股

气流在前缘处分流。一股被带着掠过弯曲的上表面,另一股沿较平的下表面流过。因为上表面是弯的,上方的空气必须走一条更长、弯折更明显的路径,而下方的空气则平缓得多。

3. 上方气流加速

气流绕着弯曲的上表面折转时被加速。图中上方的青色流线画得比下方的橙色流线更快。到达前缘的那一份空气必须沿着外形一路跟上,而机翼的弯曲把这个过程“挤”得更快,使上方的气流加速。

4. 上方压力下降,下方保持较高

在稳定流动中,空气流速越快,其静压就越低。于是上表面的压力下降,而机翼下方较慢的空气保持着较高的压力。矮矮的青色液柱(p₂)表示上方的低压,高高的橙色液柱(p₁)表示下方的高压,压强箭头的长短也与之对应。

5. 压力差把机翼向上推

机翼下方较高的压力向上推,比上方较低的压力向下压更用力。这份净向上的推力就是升力,图中用蓝色箭头表示。与此同时,机翼把空气向下偏转,根据牛顿第三定律,空气便把机翼反推向上——这是对同一个力的两种描述。

6. 升力随速度和迎角增大

升力随速度迅速增大——大致与空速的平方成正比——也随机翼迎风的角度(迎角)增大。超过某个临界迎角后,上表面顺畅的气流会脱离表面,升力急剧下降、机翼失速。这个简化模型展示的是压力上的权衡;真实机翼还取决于迎角、空速和空气密度。

机翼的升力究竟是怎么来的?

机翼会让流过它的空气发生偏转——在机翼后缘把空气向下压,也让空气绕着外形向外偏转。因为机翼把空气压向下,空气反过来就把机翼推向上(牛顿第三定律)。同样地,这种对气流的偏转让机翼上方的空气比下方更快、压力更低,压力差也把机翼向上推。两种说法描述的是同一个升力。

空气真的一定要在上表面多走一段、并在后缘和下方的空气汇合吗?

不是。这就是所谓“等时通过”的说法,它是一种常见的误解。并没有规定说在前缘分开的两股空气必须在后缘重新汇合——在真实流动中,上方的空气远早于下方的空气到达后缘。产生升力并不需要它们汇合。

为什么机翼上方的压力更低?

空气被迫绕过弯曲的上表面时,会被折转并加速。在稳定流动中,流速越快的流体静压越低,所以机翼上方的压力低于下方的压力。正是这个压力差把机翼向上推。

机翼必须是弯曲的才能产生升力吗?

不是。一块完全平直的平板,只要以略微的迎角迎风,也能产生升力。弯曲(弯度)主要是让气流更顺畅地贴着机翼流过,在小迎角时更有帮助;但迎角对升力的影响至少和外形一样大。

飞机能倒着飞吗?

能。升力主要来自机翼迎风的角度,而不是某一面固定的“上表面”。飞机翻滚到倒扣姿态时,飞行员只要把机头略微抬高,保持正的迎角,机翼照样能产生升力。

什么是迎角?什么是失速?

迎角是机翼与迎面气流之间的夹角。在一定范围内,迎角越大升力越大。超过某个临界迎角后,上表面顺畅的气流会脱离表面、变成湍流,升力急剧下降、阻力上升——这就是失速。

常见误区

上方的空气走得更远,所以它加速,好和下方的空气在后缘汇合。 这个“等时通过”的说法是最常见的升力解释,但它并不正确。
上方的空气并不是在追着谁汇合。 并没有规定说两股气流必须在后缘重新相遇;在真实流动中,上方的空气反而先到达后缘。升力来自对气流的偏转和压力差,而不是什么“同时到达”的赛跑。
升力就是空气撞在机翼下表面反弹回来的结果。 人们很容易把机翼想象成一块被下方空气拍打的平板。
机翼靠的是偏转整个气流——上方和下方都算。 机翼作为整体把空气向下偏转,两侧表面的压力差把它向上推。下表面是其中一部分,但上方被加速的气流同样是升力的来源。
只有弯曲的机翼才能产生升力,所以对称机翼根本飞不起来。 看起来似乎全靠外形在做功。
迎角比外形更重要。 即便是平直或对称的机翼,只要以正的迎角迎风就能产生升力。弯曲让气流更顺畅地贴着表面流过,但它并不是升力的唯一来源。
免责声明:本图解为教学目的做了大幅简化,真实系统变量与复杂度远超此处。不可用于工程生产用途,也不构成金融、政治或专业建议。