机翼的工作原理   

引擎的动力还不足以使你离开地面,你还得感谢机翼。即便是高速运动也无法阻止你下坠的趋势。试想你站在地面上,一只手拿着一颗子弹,另一只手拿着枪,枪里也装着一颗一模一样的子弹。松手让子弹下坠,与此同时,扳动手枪,枪里的子弹水平射出去。哪颗子弹会先落地呢?我们本能的反应是手中的子弹先掉在地上,但事实上,两颗子弹会同时坠地,而且它们落地的速度也是一样的。

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由此可见,光有速度是不够的。飞机还需要升力——它是一种向上的力,能对抗重力,使飞机腾空。机翼的存在就是为了获得这种升力。当鸟扇动翅膀在空中飞翔时,升力的来源显而易见。挥动的翅膀将空气向下推,获得向上的反作用力(见牛顿第三定律),就像飞机引擎那样。但是,当鸟处于滑行状态时,升力从何而来呢?或是就飞机而言,它的机翼是固定的,不能挥舞着来推动空气,怎样才能获得升力呢?实际原因有可能与你最初的直觉有所偏差。

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给自己来点上升力

我们很容易就能模拟出飞机在空中受到的升力。撕一张纸。如果你用的是A4规格的打印纸或信纸的话,沿着最长的边将它对折,然后,沿着同一个方向再对折,现在,你的实验工具就完成了。把纸展开,拿住纸张的一端,使它自然下垂。现在,把嘴凑在纸被你握住的那头。最后,长长地吹一口气,让气流平稳地经过纸张表面。

下垂的纸被气流托起。你制造了一个升力,就像机翼给飞机制造了升力。正如我们看到的那样,空气以不同的方式在物体上方和下方扩散,产生了一个上升的力。在纸的实验中,空气只在纸张上方流动,下方则没有空气流动,不过,机翼和纸张还是有些不同的。

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图4 使纸张获得升力

机翼顶部弯曲,而底部相对较平。就像实验中的纸片一样,当空气通过这些弯曲的表面时,升力就产生了,飞机被向前推动。机翼的形状被称为翼面(airfoil),它们能劈开空气,改变气流的方向。由于机翼施力于空气(你猜得没错,还是牛顿第三定律),它们也受到了空气的反作用力。我们马上就会向你展示这一切是如何发生的,不过令人尴尬的是,在很长一段时间内,那些用来解释飞机升力的最常见的说法都是错误的。

你也许听过这样的说法,机翼的形状很特别,空气从机翼上方通过的距离要大于从下方通过的距离。按照这个假设,为了追赶上下方的空气分子,上方的空气分子会加快运动速度,这样两者才能同时在机翼前端汇合,这样一来,机翼上方的空气就变稀薄了。由于空气变少,它在机翼上方产生的压力就会减少。这意味着,机翼获得了向上的升力。

如果机翼上方的空气运动得更快,飞机就能获得升力,这个说法并没有错。但是,这绝不是由于机翼上下两个平面不同的长度导致的。没有理由说,机翼上方的空气分子就一定要追赶上下方的空气分子。而事实是,通过机翼上方空气的速度远远超出了那个需要追赶的速度,导致该现象的原因也和机翼上下两面的长度没有任何关系。真正的原因是流体(空气)复杂的运动方式。

为了让你能更好地理解这一切,让我们再来回顾一下牛顿的第二定律吧。牛顿告诉我们力等于质量乘以加速度。如果加速度存在,力就存在。但加速度又是什么呢?我们习惯于认为加速度就是发生了改变的速度。例如,在6秒钟内,从0加速到60英里/时。但事实上,加速度指的是速度(velocity)而非速率(speed)的改变。两者的区别在于速度涵盖了速率和方向。速度是一个矢量。所有发生了改变的速度都可以被当做加速度,哪怕它只改变了方向,而速率不变。当某物体以相同的速率转圈时,它就处于加速状态中,而加速度的产生必须以力的存在为前提。

想象一下空气正在通过机翼。弯曲的机翼表面使空气方向发生改变。这意味着空气被加速了,而当它沿着弯曲向下运动时,加速度的方向向下。机翼给空气施了一个向下的力,而机翼则受到空气向上的相等的反作用力。