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老调重弹,固定翼飞机升力解释

  近日刷到一篇头条文章还在用伯努利定律解释飞机升力,想起自己很久以前写过一篇文字,内容是努力澄清飞机升力不是因为伯努利定律,结果找了半天没找到,只好重写一遍
  搜索了一下,发现某乎上有比较完整的答案,但我觉得我有独特的理解,似乎更清晰。
  先说最简单一句话结论,固定翼飞机的机翼靠向下偏折气流以提供升力
  最直观的是直升机,直升机靠扇叶产生向下的气流,根据牛三定律,空气会给扇叶向上的反作用力,这个升力用于平衡了直升机的重力。
  其实固定翼飞机也一样,不过固定翼飞机的常态是匀速直线运动,固定翼飞机的机翼会把迎着飞机而来的气流改变方向,改为斜向下,根据牛顿第二运动定律,物体速度方向的改变的原因也是受到力的作用
  也就是气流受到了机翼向下的力的作用,根据牛三定律,空气也就给了机翼向上的升力。
  科普解释就可以到此结束,具体计算,那就是空气动力学,什么NS方程,得靠计算机来仿真。
  为什么不宜用伯努利定律来解释机翼升力?
  我的理解是,伯努利定律是由现象倒推原因,解释力不强, 考察水流过两段流管,截面积之比假设是2:1,那么水的流速之比是多少?显然相同时间内两段流管流过相同体积的水,截面积之比2:1
  那么流过的水的长度之比是反过来,即1:2,也就是狭窄的流管水流速度是宽管里的水流速度的2倍
  也就是说,水流从宽的流管进入窄的流管期间有加速的动作,也就是必然受到力的作用,这个压力差,就来源于宽管的水流压力大,窄管的水流压力小,这个压力差使水流加速。
  伯努利定律的推导其实不需要微积分的数学基础,如下图,假设水管水平放置,无需考虑重力势能,水从宽管流向窄管。
  水从左流到右
  想象梯形截面的宽窄衔接处是一个神奇系统,它从左边接收进水,从右边释放水,单位时间内,假设进水是ΔV,那么出水也是 ΔV,假设进水管截面积为S1,出水管截面积为S2 ,
  假设进水的流速是V1,出水流速是V2
  ΔV=S1* L1 =S2* L2
  可以把水流进和流出想象成是这个神奇系统瞬间加速。即,单位时间内,系统把左边ΔV体积的水从V1加速到V2
  假设左边宽管水的压强为P1,右边窄管水压强为P2
  单位时间内,左边宽管有长度为 L1(截面为S1)的水被压进系统 ,也就是左边水压对系统做功 P1*S1*L1
  同理,右边窄管有长度为 L2(截面为S2)的水被压出系统 ,也就是右边水压对系统做负功 P2*S2*L2,右边水压是阻碍水从系统流出,所以是做负功。
  根据动能定理,外力对 ΔV体积的水做的功等于这部分水的动能的增加。
  即, P1*S1*L1- P2*S2*L2=1/2 *ρ*ΔV*V2*V2-1/2 *ρ*ΔV*V1*V1
  因为,ΔV=S1* L1 =S2* L2, 所以每项都有乘以ΔV,可以约去
  所以, P1- P2=1/2 *ρ*V2*V2-1/2 *ρ*V1*V1
  移项整理得到,P1+1/2 *ρ*V1*V1= P2+1/2 *ρ*V2*V2
  这就是伯努利定律要表达的内容, 即,P+1/2 *ρ*V*V=constant
  物理意义表达就是,流管中流速大的地方动压强小
  从推导过程可以看出,伯努利定律其实是由现象反推原因, 实际上是压力差使水流速度有差异,力是使物体速度改变的原因,压力差使流管液体速度有差异,然后反过来,根据流管液体速度反推压力大小。
  回到飞机升力解释,机翼和气流相互作用造成压力差,然后导致机翼上表面气流速度高于下表面。当然你也可以这样表达,观察到机翼上表面气流流速高于下表面,从而得知,机翼下表面压力高于上表面,即机翼获得了升力。
  比如,机翼和气流相互作用造成压力差,其中一个重要原因是康达效应
  康达效应: 流体(水流或气流)有偏离原本流动方向,改为随着凸出的物体表面流动的倾向。当流体与它流过的物体表面之间存在表面摩擦时(也可以说是流体粘性),只要曲率不大,流体就会顺着该物体表面流动
  比如,飞机迎角过大造成的失速:当机翼迎角大于一个临界值以后,机翼上表面的气流会发生严重分离。产生的升力也迅速降低,这同样被称为失速。
  总之,机翼和气流相互作用造成压力差,是复杂的空气动力学,根据气动力学,比如,有如下几个结论:
  机翼正常工作时,
  1:机翼上表面提供的升力大于下表面。
  2:机翼上表面气流速度大于上表面路径更长的理论计算,同时,气流在上表面流过的速率也是变化的。
  3:机翼不同位置的压强差别很大
  最后,用几张图结束这个话题
  机翼上表面的白雾
  下洗的机尾气流
  机翼的压强分布图

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