流體力學液體為什麼從高處往下流（流體力學中伯努利定律把仰角調整到90）

2023-05-05 18:23:49

作者：天體生物學·黃姤

飛機為什麼會飛？

其中的原理相信很多人都有聽說過，原理是固定翼飛機的機翼，由於機翼上表面的彎度大於下表面的彎度，上表面氣流的流速整體上要高於下表面的氣流速度，根據伯努利理論，氣流作用在機翼上表面的靜壓力整體上要小於作用在下表面上的靜壓力，由於上下表面的壓力差的存在，使得機翼最終受到了一個向上的合力，也就是說機翼上下兩個面的弧度是不一樣的，上表面的弧度比較大、路徑比較長下，表面的弧度比較小、路徑比較短，當飛機快速前進的時候空氣通過上下兩側在機翼的後端會合，會產生不同的運動距離，機翼上表面氣流的流速整體上要高於下表面氣流的速度，根據流體力學中伯努利定律，空氣速度高的地方壓強較小，所以機翼上下表面就會產生一個壓力差，這個壓力的合力就是向上的飛機的升力。

對於飛機為何產生升力，這個是很多人聽過的解釋，但是這個對飛機升力的解釋不是完全正確的甚至可以說是不正確的，因為如果這個理論是完全正確的話，那麼有些問題是無法解釋得通的，比如我們看很多飛機的機翼是前邊厚，後邊薄，如果按照上面說的理論，只要上表面路徑長就會有升力，那麼設計成中間厚，前後都薄不就行了嗎？按照上面的理論，那麼飛機起飛直接加速就可以了，速度夠了就直接起來了，那麼為什麼飛機起飛的時候要拉高機頭呢？為什麼有的飛機是可以上下倒著飛（躺著飛）？如果按照的原理躺著飛的飛機重力和機翼的升力都是朝下的，飛機不是應該一頭栽下來嗎？那些飛得很好的紙飛機，它的機翼就是紙，上下面的弧度都是一樣的沒有路徑長短的區別，那麼它的升力是怎麼來的呢？

很顯然，上面的這些疑問這個理論是無法解釋的，美國國家航空航天局NASA就官方發文否定了這個理論，根據NASA的實驗：

機翼上下兩個表面的氣流雖然在機翼前端同時分開，但是根本沒有在機翼尾端同時匯合，另外，實驗也表明一個上下表面長度相同的機翼仍然可以產生足夠的升力。

飛機的升力原理到底是什麼？

因為流體力學研究對象的高度複雜性目前有很多領域是尚未清晰的，以目前來講大家對飛機升力的現象比較傾向於這樣的解釋：

第一：康達效應、

流體會離開本來的流動方向而隨著凸出的物體表面流動的傾向。

大家可以嘗試一個這樣的實驗：把一條湯勺放在水籠頭的水流下方，水流的方向會改變，緊貼著湯勺的凸面流下去。

康達效應表明流動的流體很喜歡凸面的物體，容易被凸面的物體所吸引，根據牛頓第三定律兩個互相作用的物體之間有作用力就會有反作用力，氣流被凸面吸引，那麼凸面物體也會被氣流吸引。

第二：下洗、

飛機機翼的上翼面設計成前面高、後面低的狀態，並且以凸面的狀態圓滑過度，這樣的設計會使得本來水平經過機翼上方的氣流，因為康達效應會被機翼的上凸面向下吸引，在氣流離開機翼的時候是略微向下後方向的，這個現象被稱作是——下洗。

一個本來是水平來的氣流被變成了略微向下方向的下洗氣流，那麼機翼就會獲得一個向上的力量，或者可以理解為機翼這個凸面物體被機翼上方的氣流吸引了，所以只要機翼的設計能把前方來的水平氣流導向偏下方，機翼就會獲得一個升力，這就是為什麼紙飛機也能飛的原因。

一個疊的好的紙飛機，它在飛行過程中能把經過自己的氣流稍微引導向下，而空氣給它的反作用力的受力點和它本身的重心配合恰當，使它能繼續保持這種飛行姿態，那麼紙飛機就可以充分利用自己的動能和重力勢能轉化為升力。目前紙飛機飛行距離的世界紀錄是69米。

而如果紙飛機沒有疊好的話，比如說把經過自己周圍的氣流太大力地引導向下了，這樣的紙飛機一扔出去就會立刻爬升，然後速度降為0就迅速墜落，或者沒有把氣流引導向下而是引導向上了，這樣的紙飛機扔出去會直接釘到地面上。

飛機能倒著飛的原理

在飛機倒著飛的時候，如果飛機的飛行姿態、機翼以及副翼的配合能把迎面來的氣流倒向地面的話也是能獲得升力的，在風洞實驗中飛機的機翼如果向上抬起和迎風的方向有一個適當的角度，這種向下引導氣流的能力就會顯著地加強，也就是說飛機機翼的升力效率會和機翼與迎風方向的夾角有一定的變化關係，飛機機翼和迎風方向的這個夾角被叫做——仰角。

這個就是為什麼見到飛機起飛的時候都要先抬升機頭而不是幾個輪子同時離地，因為抬升機頭會使得仰角增加，機翼的升力效率會大幅的提升，就可以在較慢的速度下獲得更高的升力，從而不需要加速到更快就能起飛。

飛機降落的時候也是一樣的，飛機不是幾個輪子同時著地的，而是在飛機即將接觸地面的時候，飛行員將機頭抬升，這個時候向下降落的飛機會因為機翼仰角的增加而獲得更高的升力，從而使飛機以一個切線的方向和地面接觸，這個是最安全的降落方式，如果不這樣做的話，飛機不能以切線方向和地面接觸而是幾個輪子同時著地，飛機在這一瞬間所受到的垂直衝量會非常的巨大，這個基本上離機毀人亡就不遠了。

仰角的增加會讓飛機的升力效率大幅提升，把仰角調整到90°讓飛機豎著飛可以嗎？

這個想法是挺好的，可是世界不是按照人們一拍腦門想出來的方式運行的，除了戰鬥機在做眼鏡蛇機動的時候，有那麼一兩秒鐘飛機是豎著向前移動的，有誰見過民航客機是豎著往前飛的？

沒有啊！

飛機豎著向前移動這種情況，只有在飛機的牽引力大於自身重力的情況下或者是火箭才有可能完成，絕大部分飛機是無法做到的，在一般情況下機翼的升力係數（升力效率）會隨著機翼仰角的增加而增加，但是當機翼的仰角增加到一定程度以後會達到一個臨界值，這個時候如果仰角繼續增加，那機翼獲得的升力將會迅速降低，升力係數是隨著仰角變化的曲線，因為仰角超過臨界值而導致升力下降的狀態，在流體力學裡叫做——失速。

固定翼飛機的失速，指的是飛機獲得的升力突然減少導致飛行高度迅速降低的狀態，而不是說飛機失去了前進的速度，飛得很快的飛機也會失速，飛機的失速絕大部分情況是和機翼的仰角過大有關。

為什麼會失速？

原因就是當機翼的仰角到達某一個臨界值的時候，康達效應就開始減弱了，下洗氣流開始消失，機翼的上表面會開始變得無法將水平來的氣流引向斜下方，這個時候的飛機就處在失速的臨界狀態。

風洞實驗裡氣流隨著機翼仰角的增加而產生的變化，不同的飛機翼型設計仰角的臨界值會各有不同，飛機在失速的臨界狀態會產生很明顯的信號，由於機翼後方會產生湍流導致機身會發生異常的抖動，飛行員對飛機的控制行為也會變得滯後、遲鈍，如果這個時候飛機的仰角繼續增加，那麼飛機就會失去足夠的升力進入失速狀態。

當飛機處於失速狀態的情況下會有什麼影響

飛機的失速就像在高速上開車經過了一片冰面時開始打滑，有經驗的司機都知道高速行進的汽車開始打滑，是一件多麼恐怖的事情，汽車輪胎和地面之間本來是可控的靜摩擦力，汽車一打滑變為了無法控制的動摩擦力，司機將失去對汽車的幾乎所有控制權，所以在高速車禍的電影中經常能看到有些高速行進的汽車，一旦打滑因為4個輪胎的摩擦力各有不同，就會產生各種旋轉，汽車就會失控。

失速對於飛機來講就像是高速的汽車在打滑，飛行員會失去大部分對飛機的控制能力甚至是完全失去控制，可能會產生極其嚴重的後果，例如飛機可能會進入尾旋狀態，尾旋狀態是因為飛機在失速過程中左右機翼產生了不協調的失速，飛機會繞著失速嚴重的一側旋轉並且急速下降。

舉例說明：

相信很多人都有看到過秋天的落葉，有時候你會看到有些葉子是轉著圈地落到地面上的，進入尾旋狀態的飛機基本上就是這個樣子的。

尾旋，是一種非常嚴重的狀態，它具有低空速和大下降率的特點，也就是說不怎麼往前飛了，卻以很快的速度墜向地面，而且尾旋的狀態會對飛機的機體結構產生巨大的壓力，甚至是破壞。動力強的小型飛機在有足夠高度的情況下，是有機會能夠脫離尾旋狀態的，而大型飛機在尾旋狀態下幾乎無法自救，甚至在墜地前就可能空中解體了，即使飛機在失速的過程中左右兩翼是協調的，整體平穩沒有發生尾旋或側傾，但是在失速狀態下的飛機，因為升力不足會向下掉落，本來前進的飛機，方向改為了向前下方，對於飛機的機冀來講就是本來向後的氣流，改為了向後上方的氣流，這就等於更加增大了機冀的迎風角度，也就是機冀的仰角，這會導致飛機更嚴重地進入失速狀態。

對於任何的固定翼飛機來講，飛行高度不足的失速狀態都可能是致命的，即使是那些推力足夠大能垂直起降的戰鬥機，在低空飛行時遇到失速狀態也很有可能是來不及反應的，即使高度足夠成功擺脫失速狀態的飛機，也會失去一定的高度。

黃姤結語·失速速度

關於失速，除了機翼的仰角還有一個概念叫做——失速速度，它指的是如果飛機飛行的速度較慢，為了獲得足夠的升力，就得增加機翼仰角以增加升力效率，隨著飛機速度的降低，當機翼的仰角增加到某一個臨界值的時候，飛機將再也無法獲得足夠的升力開始向下墜落，這個時候的速度就被稱之為這個飛機的失速速度。飛機的飛行速度必須高於失速速度才能安全地飛行，處於失速速度的飛機是無法爬升的，低於失速速度的飛機下降是無法避免的，一般情況下當飛機在大仰角低速度以及大側傾角轉彎的時候比較容易發生失速。

正因為失速如此危險，特別是民航客機都會裝載有失速檢測系統，用於在瀕臨失速的狀態下警告飛行員及時採取措施，例如增加牽引力、降低仰角避免使飛機進入失速狀態。