升力是如何产生的 张水，工程师 关于飞机升力是如何产生的有很多种理论，然而在百科书上，网站上，甚至某些课本上的说法，都是错的。 最广泛的一种理论，也被称为“长距理论(Longer Path)”，或“等时理论(Equal Transit Time)”。这种理论解释说，气流在机翼前段被分为上下两个部分，最后在机翼尾部汇合。但机翼上下表面形状是不对称的，气流沿机翼上表面运动的距离更长，自然流速更快，根据伯努利定理，速度越快，气压越小，上下表面的压力差就提供了升力。 由于这个理论主要依赖于“伯努利定律”，后文称其为伯努利派。 这个理论的第一个错误在于，认为“机翼上下表面不对称”是升力之源。然而上下对称的机翼并不罕见，最常见的例子就是纸飞机，纸飞机在滑翔过程中一样可以产生升力。此外，现代飞机广泛采用的超临界翼型，出于减阻目的，其下表面的长度实际上是比上表面长度还长的。同时，这个理论也完全无法解释战斗机是如何倒飞的。 这个理论在实际计算时，也会发现错误。以其假设，越过机翼上下表面的气流会在机尾相汇，据此计算气流上下的速度差，利用伯努利定律得出压力差，最后获得的升力数据，会发现完全不足以支持飞机的重力。事实上，风洞试验也验证了上下表面的气流并不会在机尾汇合。 另一个广泛流传的理论，有人称为“漂石理论(Skipping Stone)”。这种理论认为，升力来源于空气对机翼底部的反作用力，就像打水漂一样，石子在快速滑过水面时，会排开水体从而获得反向的作用力重新离开水体，飞机在飞行时不断向下推开空气，从而依靠反作用力获取升力。 由于这个理论主要依赖于牛顿第三定律，故下文称“牛顿派”。 这个理论的显著错误在于，它认为产生升力的主要是机翼下表面，机翼上表面的贡献可以忽略。这也就引申出一个结论：机翼下表面不变，则上表面的形状改变不会导致升力改变——这显然是不对的。一个典型的例子是扰流板，当机翼上表面的扰流板打开时，下表面毫无变化，上表面可以说形状改变不大，但是结果却非常显著——某些飞机着陆时仅打开扰流板就可以减少一半以上的升力。 和“长距理论”一样，参考空气密度、实际的空气流量等参数，计算一下所能产生的升力，就会发现得到的结果仍然不足以支撑飞机的重力。 对于“伯努利派”而言，升力的产生来源于机翼上下表面的压力差，对于“牛顿派”而言，升力的产生来源于飞机偏移了气流方向从而产生的反作用力。 对于真实世界，当空气流过一个物体，或者说物体穿过空气时，由于空气分子不像固体分子那样紧密相连，他们的运动并不完全与物体本身有关，这也导致物体周围的气流，在不同的区域有着不同的方向和大小，离物体越近，差异越大。 在不同的区域，产生了不同的气动压力，升力就相当于这些压力在垂直于气流方向的分量合力，阻力就相当于这些压力在平行于气流方向的分量合力。而这些气动力作用于飞机上，获得的反作用力，将使气流运动方向变化，从牛顿第三定律的观点来看，这就是气动升力和阻力的来源和结果。因此，“伯努利派”和“牛顿派”都可以单独且正确的解释升力的产生。 那这些理论的错误何在呢？ 在于他们都过度简化的应用了伯努利方程和牛顿第三定律。 “长距理论”认为流过上下表面的气流由于距离差产生了速度差，但实际上表面的气流速度要远大于此理论估算的气流速度，如果能得到完整的机翼上下表面的气流速度分布图，根据伯努利方程计算出的升力就将是对的。 “漂石理论”的错误，在于它忽视了上表面对气流的作用力，实际上流过上表面的气流也是有着向下运动的趋势的，上表面同样收到气流向上的反作用力。而当使用扰流板时，气流将提供向下的反作用力，从而大幅减少升力。 物体在气流中的受力时非常复杂而无法简化的，但是他们依然要遵守动量守恒定律和能量守恒定律。牛顿定律的基石在于动量守恒，而伯努利定律源于能量守恒，因此这两个方程都可用于计算升力且都正确。 伯努利父亲的另一个学生，欧拉，发展了积分学。当获得飞机附近气流的准确分布后，依赖欧拉公式，就可以计算得到较为准确的升力数值。 简化后的二维欧拉公式，依赖于 4 个参数从而计算出升力。速度 u,v 代表平行气流方向和垂直气流方向的气流速度分量，气压 p 和空气密度σ。 但是欧拉公式仍然存在瑕疵，它没有考虑空气流动时的粘性阻力，因此只在厚机翼和小仰角情况下成立。更进一步的，Navier 和 Stokes 分别独立的发展了流体力学，建立了 N-S 方程来较为准确的计算真实升力。 总之，升力既可以解释为由于气流对飞机上下表面压力不同的产生的，也可以解释为飞机使气流发生偏转而获得的反作用力产生。 但是，气流之所以具有不同的速度，和气流之所以产生偏转，其原因是非常复杂的而难以简化的。某些情况下，飞机机翼上的细微变化就可能对升力大小产生巨大影响。
