飞机为什么能飞起来？直到今天，科学家仍然没有答案?

飞机能够飞上天，已经表明“升力”是真实存在的，现在只是如何来说明升力而已。原文中讲述了四种说法。

第一种说法：“飞机的机翼上方有一种特殊的凸起，专业术语称为翼型（airfoil）。因为这种弯曲的存在，与流经机翼平坦下表面的空气相比，流经弯曲上表面的空气速度更快。科学家认为，按伯努利原理，机翼上表面流体速度的增加导致那里的气压降低，以此产生了向上的升力。

……然而，伯努利原理本身并不能完全解释升力。尽管实际经验表明，在弯曲的表面上空气流动的速度确实更快，但伯努利原理却无法解释为什么会出现流速变快的现象。换句话说，这个定理并没有说明机翼上方的高流速是如何产生的。……伯努利原理的第二个缺点是，它并没有说明机翼上部高速流动的空气为什么会形成更低的压力，而不是更高的压力。……第三个问题特别关键，可以证明伯努利原理对升力的解释是不对的：一架具有弯曲上表面的飞机翻过身来也能飞行。这种情况下，弯曲的机翼表面变成了底面。根据伯努利原理，机翼的下表面的压力会降低，当这个低压环境结合重力作用，应该会产生一个向下拉动飞机的效果，而不是支撑它继续飞行。但是，无论是具有对称翼型的飞机（其顶部和底部的曲率相当），还是上表面和下表面均为平坦翼型的飞机，只要机翼遇到迎面而来的风，并且配合适当的迎角，都能翻过来飞行。这意味着，伯努利原理本身并不足以解释升力产生的原因”。

第二种说法：“牛顿的作用力和反作用力原理。根据这个定律，当机翼向下推空气，有质量的空气会产生一个大小相等、方向相反的向上推力，也就是升力。因此，理论认为机翼是通过推动空气使飞机产生升力的。这个理论适用于任何形状的翅膀，弯曲的或平坦的，对称的或不对称的。同时，这个理论也适用于正常飞行，或者翻过来飞行的飞机。因此，牛顿第三定律对升力的解释比伯努利原理更全面，也能应对更多情况。

但就理论本身而言，作用力和反作用力并不能解释机翼顶部的低压区，而这一区域的存在也与机翼是否弯曲无关了。只有当飞机着陆停止飞行后，机翼上方的低压区才会消失，使顶部和底部变得一样，恢复到周围的气压。但是，只要飞机在飞行，低压区就是空气动力学无法忽视的因素，必须加以解释，才能说明飞机为什么能飞起来”。

第三种说法：“在解释升力时，麦克莱恩也是从空气动力学中最基本的假设开始的：机翼周围的空气作为“一种连续的介质，会根据翼型的不同产生形变”。这种形变会以机翼上方和下方各自出现的流体形式存在。麦克莱恩写道：“在一个被称为压力场的大区域内，机翼会对气压产生影响。”当产生升力时，机翼上方总是会形成低压的扩散气团，机翼下方通常形成高压的扩散气团。当这些气团作用于机翼时，就构成了对机翼产生升力的压差。在整个过程中，机翼向下推动空气，导致气流向下偏转。机翼上方的空气按伯努利原理被加速。机翼下方有一个高压区，机翼上方有一个低压区。这意味着，在麦克莱恩对升力的解释中，有4个必要的组成部分：气流向下转向，气流速度增加，低压区和高压区。”

……虽然如此，目前我们需要进一步解释的已经只有少数悬而未决的问题。关于升力，你应该能回想起来，这是机翼上下表面压力差导致的结果。对于翼型下表面的情况，我们已经有了一个可以接受的解释：迎面而来的空气挤压机翼，在垂直方向产生升力，在水平方向产生阻力。向上挤压机翼下表面的力，以局部高气压的形式出现。简单来说，这种更高的气压是作用力和反作用力的结果。然而，机翼上表面的情况却大不相同。那里存在一个低压区，是提供升力的重要部分。但是，如果伯努利原理和牛顿第三定律都不能解释它，什么才能解释它呢？从模拟实验中的流线信息，我们可以得知，机翼上方的空气与翼型向下弯曲的特征紧密相连。但是，为什么流过机翼上表面的气团必须顺着隆起后向下弯曲的机翼流动呢？为什么不能离开它直接向后飞呢？”

第四种说法：“马克·德雷拉（Mark Drela）是麻省理工学院流体动力学教授，他给出了一个答案：“如果这些流体团瞬间偏离机翼的上表面，它与机翼之间的空间就会形成真空，”他解释道，“这个真空会把流体团吸下去，直到真空基本被填满。也就是说，直到它们流动的方向再次与机翼正切。这就是迫使流体团沿着机翼形状移动的物理机制。局部存在一个轻微的真空环境就能使流体团沿着弯曲的机翼表面流动。”

空气团的偏离，以及被拉近的过程，使机翼的上表面区域产生了低压。这个过程还引发了另一种效应：在机翼上表面，空气流动速度更快。“当机翼上方的气流靠近机翼时，机翼上表面的低压气团会在水平方向上‘拉动’气流，因此，当这些空气抵达机翼时，速度会更快，”德雷拉说，“所以，机翼上方的气流速度增加，可以看作是压力降低的副带作用。”

但和往常一样，在解释升力时，不同的专家会给出不同的答案。剑桥大学空气动力学家巴宾斯基（Babinsky）说：“……如果真空的出现是升力出现的原因，就很难解释，为什么有时气流不会流经机翼表面。当然，他在其他方面都是正确的。这个问题可能真的没有简单快捷的解释。”

原文中讲述的四种说法其实都是符合牛顿力学及伯努利原理的，总体看来是互相补充、不断深入、不断完善的。我们注意到，在上面的四种说法中，几个关键词是：流体、高气压、低气压、流速、流线、气团、真空等。这些概念都是宏观概念，也就是说，对升力的说明一直局限于宏观层面。欲进一步更清楚的说明飞机的升力，可能需要深入到微观层面，再借助几个微观概念，如气体分子、分子运动、分子碰撞、分子密度等等来帮助说明，宏观微观相结合，可能有助于说得更清楚一些。

我们看到的空气，微观上是大量气体分子聚集在一起形成的。每一个气体分子总是不停的随机运动着——热运动，各方向的运动几率均等，并且分子之间频繁的互相碰撞着，与所接触的物体也会连续不停的碰撞。常温下，空气中气体分子的平均运动速度约为460m/s（相当于子弹的速度），比高速军机慢，但比普通民用飞机快。气流是大量气体分子在随机运动的前提下，总体上又朝向同一方向运动的结果，或者说，大量分子在向着同一方向集体运动的同时，各个分子依然在做热运动（随机运动）。气体分子具有质量，因为运动而具有动量、能量，因碰撞而产生作用力，其作用力自然是符合牛顿力学定律的，大量气体分子连续的碰撞而产生气体的宏观压力。静态气体宏观的静压力就是大量气体分子热运动而在各方向连续碰撞所产生的力；流动气体在流动方向上产生动压力，宏观动压力就是大量分子在流动方向上连续的碰撞所产生的力。流体（流动气体）在流动方向的分子碰撞增强了，形成较大的动压力，而在侧向的分子碰撞就减弱了（碰撞频率下降、并且正碰撞变为斜碰撞），原先的静压力就减小了；流速越大，动压力越大，侧向静压力就越小。伯努利原理所说的“流速越大压力越小”，指的就是流体侧向静压力随流速增大而减小。伯努利原理本是牛顿力学在流体力学中的一种应用，两者是一致的。

下面结合机翼，来具体的说一说。

见图1 机翼的结构特点与飞行时的气压分布。首先，我们注意到机翼的结构，除“翼型”本身之外，还应该看到机翼下表面与飞机航向之间的“仰角a”（迎角）和机翼上表面（曲面或平面）与飞机航向之间的“仰角b”（迎角）。在飞行过程中能够获得升力，“仰角”功不可没。因为仰角与翼型配合在一起，对流体产生作用，才获得了机翼下面密集而平直的流线及空气的较低流速和高密度气团，才获得了机翼上面稀疏而弯曲的流线及空气的较高流速和低密度气团，从而获得机翼下面的“高气压”和机翼上面的“低气压”。在微观上，就是机翼下面的气体分子密度较大，气体分子对机翼下表面的碰撞频率较高，总作用力较大；机翼上面的气体分子密度较小，气体分子对机翼上表面的碰撞频率较低，总作用力较小。

关于“流速”的高与低，我们可以这样来看：在机翼下面，由于“仰角a”的缘故，机翼下表面与流体“迎面”斜相遇，对流体有阻碍而减速的着用，使流速降低。在机翼上面，由于“翼型H”和“仰角b”的联合作用，在机翼上表面最高处H点之后的区域，流体与翼面处于“分离”状态，翼面对流体无阻碍作用，同时，因为“分离”而导致该区域出现“真空区”；而H点之前的区域，流体朝着斜上方流动，因为流体也有“惯性”，过H点后不会主动立即来填补H点后的“真空区”，而是在上方气体内部压力（与真空区的压力差，而不是单纯真空区的“吸引”）的作用下才偏离原方向转向真空区流动，在惯性力和上方压力的双重作用下，这时的流体如同抛物体在落下的过程中那样，线速度会增加，所以机翼上面的流速相对于机翼下面的流速较大（上增下减）；因为飞行是连续过程，流体填补真空区，真空又不断的形成，如此形成动态过程，其结果就是机翼上面始终保持气体稀薄、流速较快的低压状态。因此，机翼上下的气体流速就不相同，出现下慢上快的现象。

我们再来看看图2机翼的受力示意图。

飞机静止时，空气宏观静止，机翼周围受到的空气压力是均匀的 、各个方向受力相等，机翼上下前后受力总体平衡，如图2-（1）所示。空气压力是宏观现象，是微观上大量的气体分子从各个方向连续不断的碰撞机翼而形成的宏观气压，我们可以将气体分子对机翼各处的碰撞作用力在上下前后四个方向进行投影，结果就如图所示。因为宏观静止的空气，气体分子的运动是完全随机的，向任何方向的运动几率相等，所以，气体分子对机翼各个方向的碰撞几率相等，即各方向承受的空气压力相等，机翼处于平衡状态。

当飞机向前运动，机翼各个方向的受力即发生变化，静止时的平衡状态被打破。见图2-（2）。1，运动机翼前部因为直接撞击空气，气体分子与翼面的撞击速度是分子的热运动速度与飞机前进速度之矢量和，并且碰撞频率会大幅提高，所以，运动机翼前部承受的压力比静止时的压力要大很多。2，运动机翼后部因为与气体相互分离，气体分子与翼面的撞击速度是分子的热运动速度与飞机前进速度之矢量差，并且碰撞频率会大幅降低，所以，运动机翼后部承受的压力比静止时的压力要小很多，甚至完全消失（可以忽略不计）。3，运动机翼下面，因为仰角a的存在，斜面迎撞流体，对气体的流动有阻碍作用，气体分子与机翼下面的碰撞速度比静止时更高、碰撞频率更大，碰撞方向因运动而变成斜上碰撞，所以，运动机翼下面承受压力比静止时的压力要大一些；依据伯努利原理来说，就是流速较低（相对于机翼上面的流速）静压力较大，并且还要承受一部分动压力（部分流体斜撞翼面）。4，运动机翼上面，因为“翼型”和仰角b的联合作用，在机翼最高处的H点前一小段，如同机翼下面，此时承受的压力比静止时的压力要大一些；在H点之后的大量翼面上，因为运动翼面与流体分离，翼面上出现一定的真空度，气体变得稀薄，分子密度变小，与翼面的碰撞频率降低，且碰撞速度降低，碰撞速度是分子的热运动速度与飞机前进速度之矢量差，碰撞方向因分离运动而变成斜后碰撞；所以，运动机翼上面承受的压力比静止时的压力要小很多；依据伯努利原理来说，就是流速较高（相对于机翼下面的流速）静压力较小。

现在，我们可以将运动机翼前部所受流体压力、运动机翼下面所受流体压力、运动机翼上面所受流体压力分别用“合力”表示为F1、F2、F3。见图2-（3）。（运动机翼后部所受流体压力比F1小得多，可以忽略不计）。

再求出F2和F3的合力为F4。见图2-（4）。

再将F4分解为F5和F6。见图2-（5）。其中的F5就是我们要寻找的飞机的“升力”，飞机的重力就由F5来克服，从而使飞机能够飞上天空；F6和F1都是飞机前行中的阻力，是需要飞机发动机提供的推力来克服的。

关于飞机的“翻身”飞行，原文中讲述的四种说法，实际上都没有涉及。现在我们来看看飞机“翻身”飞行的受力情况吧。见图3翻身飞行机翼的受力示意图。

如果飞机在正常航行时直接翻身并保持原航向不变，其机翼的受力状况如图3-（1）所示。因为机翼翻过来，相对于航向而言，原来的翼面仰角a和仰角b就变成了俯角a和俯角b。因为机翼与流体之间的关系是相对独立的，没有地球参照系中的“上”“下”面的差别，所以机翼上的受力状况也随机翼的翻转而翻转，原来在上面的H点和流速较快的“低压区”也随着机翼翻到了下面，原来的“升力”就变成了“降力”，在降力F5和飞机自身重力的共同作用下，飞机不可能保持原航向继续航行，必然会掉下来。

原文中说：“无论是具有对称翼型的飞机（其顶部和底部的曲率相当），还是上表面和下表面均为平坦翼型的飞机，只要机翼遇到迎面而来的风，并且配合适当的迎角，都能翻过来飞行”。现在，我们再将图3-（1）旋转一个角度，将航行方向由平向飞行变为斜上飞行，给予飞机一个“迎角”，这样就将原来平向的俯角a和俯角b变成平向的仰角a和仰角b，就成为图3-（2）的样子。由于气流方向始终与航向相反，当飞机朝爬升仰角方向飞行，风总是“迎面而来”的，气流反航向流过机翼，流体与机翼的相互关系同图3-（1）是完全一样的，实际上没有什么变化，仍然是H点和流速较快的“低压区”在下方， F5仍然向下,是降力，还是会迫使飞机掉下来。

但是，如果飞机只是做出图3-（2）所示的仰角姿势，而实际飞行方向保持平向飞行，见图3-（3）所示，在这种情况下，机翼的受力情况将发生变化。由于气流方向总是与实际航向相反，此时气流与机翼的关系与图1中的情况相似，虽然翼型本身的突出点还在下方，但是对于气流来说此时机翼的高点“H”点和流速较快的“低压区”却到了上面，机翼的受力情况也与图2相似，即可得到图3-（3）所示的升力F5，这时飞机可以飞行而不掉下来。

我们注意到，图3-（3）和图2-（5）很相似，正反机翼都能获得升力，这说明，翼型不是获得升力的决定性因素，而气流方向与仰角的配合关系才是最重要的。并且，仰角的大小同时影响着升力F5和飞行阻力F6。不同用途的飞机机翼应当有不同的仰角，重型低速飞机机翼应当有较大仰角，轻型高速飞机机翼应当有较小仰角。仰角的重要性从小孩放飞的风筝也可以看出来，风筝无“翼型”之说，只要“前高后低”，形成“仰角”，迎风一吹，就飞起来了。机翼和风筝，实质相同，机翼就是一片风筝。从图3中的几种情况可以看出，飞机翻身飞行时，伯努利原理依然是正确的。

当然，图3-（3）这种飞行是不能长久的。因为飞机的动力方向与实际航行方向不一致，飞行动力不能充分发挥作用。这种航行方式只能出现在短暂的特技飞行表演过程中。当飞机在快速飞行时用特技突然翻身并调整出爬升仰角，但是飞机并没有爬高，而是借助先前飞行的“惯性”沿着原方向继续向前滑行。这时，在惯性力与飞行动力共同作用下，维持前行。在惯性力未被阻力F1和F6消耗完之前，必须改变飞行姿势，否则，不久后飞机还是要掉下来的。即，翻身飞行不可随便玩，飞行高手、特技表演者偶尔玩玩可以，普通飞行员，还是不做这种危险动作为好。