机为什么能飞起来?科学家:不好意思,这还算是个未解之谜
1903年,莱特兄弟开创了人类飞翔蓝天的历史,他们驾驶的“飞行者一号”成为了公认的第一架可以持续控制、重于空气的飞机。如今,飞机已经成为人们出行的重要选择,甚至被公认为最安全的交通方式之一。然而,尽管飞机已经飞翔了120年,科学家们依然对飞机为何能够飞翔感到困惑。
【飞机是怎么飞起来的?】
飞机怎么可能飞不起来呢?大家可能会想,飞机装备了那么强大的发动机,还有各种精心的设计,怎么可能飞不起来呢?这似乎是个显而易见的问题,但仔细一想,也许没那么简单。
再说了,普通人可能不明白飞机是怎么飞的,但科学家肯定知道。毕竟,那么多物理知识不是可以解释清楚吗?
说到飞机升力的来源,有两种主流解释。一个是伯努利定律,另一个就是牛顿的第三定律,也就是那个作用力与反作用力的事儿。咱们来瞧瞧这两种原理是咋说的,还有它们的不足是啥。
【流体力学——伯努利定律】
说到伯努利定律,那可是流体力学里的明星定理,由瑞士的流体物理学家丹尼尔·伯努利提出,并在1738年的《Hydrodynamica》上首次亮相。
流体,像是气体和液体,它们有个特点,就是在受到剪切力时会不断变形。而伯努利定律呢,就是告诉我们这些流体是如何沿着一条稳定、不黏糊、也不能被压缩的路径移动的。简单说,流体就这样顺着一条线,平滑地流动。
伯努利定律,这个诞生200多年前的理论,如何解释飞机升力呢?简单来说,这个定律就是说,流体的压力和速度有着直接的关系。飞机的机翼就是利用这个原理,通过改变空气流速来产生升力,让飞机得以飞翔。
飞机的机翼上下不一样,造成了压力差异。上边的气压平均下来比下边低,这种压力差异会导致速度差异。简单来说,就是机翼上下的气压差异导致了速度的不同。
伯努利定律说,流体速度越快,压力就越小,反之压力会变大。那在机翼上,上层机翼的设计让空气流得更快,所以气压就降低了。而下层的气压比上层高,这样一来,机翼就产生了升力。简单来说,就是空气流速快导致气压低,产生了向上的升力。
通过风洞实验、喷管实验等一系列研究,我们确认了伯努利定律的准确性。然而,即便有了这个定律,科学家们在解释飞机飞行原理时仍感棘手。你可能会问,既然伯努利定律已经说明了问题,为什么还说解释不了呢?其实,这就像是手里有把钥匙,但门却是个迷宫,找到正确的路还需要更多知识。所以,虽然伯努利定律为飞机飞行提供了基础理论,但真正要解释飞机飞行的复杂性,还需要更多科学知识和实验数据。
别急,伯努利定律虽然证实了机翼上层流体速度更快、气压更低的现象,但它并没有告诉我们背后的原因。就是说,为什么机翼上面的风会吹得更快,还有为什么气压不是变高反而是变低呢?这些都是伯努利定律没有说清楚的。
还有一个伯努利定律解释不了的问题是:飞机正常飞行时,机翼的升力确实是因为上层和下层设计不同。但为什么飞机翻倒过来后,依然能飞呢?按理说,飞机翻过来后,机翼的升力应该会相反呀?这究竟是怎么回事呢?
既然伯努利定理对这些问题束手无策,那牛顿第三定律能不能来救场呢?
【作用力与反作用力】
牛顿第三定律其实很简单,就是说当两个东西互相作用时,它们给对方的力是一样大,但方向相反。就像你用手掌拍桌子一样,你的手掌和桌子都同时受到了相等的力,所以你手感觉到的疼痛跟桌子是一样的。
简单来说,牛顿第三定律完美解释了升力。无论机翼形状如何,只要它向下推动空气,空气就会反过来向上推飞机,这就是飞机飞起来的原理。
不过,牛顿第三定律还是没法告诉我们,机翼上层为什么会形成低压区,以及为什么只有当飞机降落到地面时,这个低压区才会消失。这些问题,牛顿第三定律实在是无能为力。
【结语】
飞机的升力问题并不是伯努利定律或牛顿第三定律所能完美解释的,但这并不意味着这两个理论是错误的。它们只是不是解决这个问题的最佳答案罢了。简单来说,这些定律在其它领域很有效,但在解释飞机升力时,需要寻找更合适的理论。
现在我们知道,没有流体,升力就不可能存在。同样,如果物体和流体之间没有相对运动,升力也会消失。至于飞机和升力之间的关系,可能还需要更多时间去研究才能完全了解。