[原创]依附运动理论——挑战伯努利原理在飞行上的解读

壮志凌云2 收藏 58 8643
导读:通常在谈论飞行器飞行时总是以“升力”为主题,认为是飞行器产生的升力大到一定的程度就会把飞行器抬升飞起来。而谈到升力就联系到伯努利原理,从学校的课本到科普读物,还有网上铺天盖地的网帖基本上都是以伯努利原理来研究飞行的。虽然也有人质疑伯努利原理在飞行上的解释,但除了“空气子弹论”外再没有听到什么新的理论,也没有看到什么显著的成果。本人在研究垂直起降飞机的过程中深入地了解了人们对飞行的认识,发现都飞行一百多年了,但究竟怎么飞起来的在认识上还是比较模糊,所引用的理论没有强烈的说服性,所以本人在对飞行原理

通常在谈论飞行器飞行时总是以“升力”为主题,认为是飞行器产生的升力大到一定的程度就会把飞行器抬升飞起来。而谈到升力就联系到伯努利原理,从学校的课本到科普读物,还有网上铺天盖地的网帖基本上都是以伯努利原理来研究飞行的。虽然也有人质疑伯努利原理在飞行上的解释,但除了“空气子弹论”外再没有听到什么新的理论,也没有看到什么显著的成果。本人在研究垂直起降飞机的过程中深入地了解了人们对飞行的认识,发现都飞行一百多年了,但究竟怎么飞起来的在认识上还是比较模糊,所引用的理论没有强烈的说服性,所以本人在对飞行原理的分析上推出依附运动理论,来揭示飞行的奥秘!

声明:由于本人的工作范围和学识水平所限,只做浅表的推理,不做详实有据的计算。

一、伯努利原理及飞机飞行:

提起飞行就得提伯努利原理,那么伯努利原理到底是什么?我从网上搜索是的基本解释是这样的:流速与压强成反比,在一个流体系统,比如气流、水流中,流速越快,流体产生的压力就越小,流速越慢,流体产生的压力就越大,这就是被称为“流体力学之父”的丹尼尔•伯努利十八世纪初发现的“伯努利定律”。

依附运动理论——挑战伯努利原理在飞行上的解读

那么空气如何能够托起沉重的飞机,人们就利用了伯努利定律来解读。飞机的机翼是上凸下平的非对称型结构(单凸),上表面是流畅的曲面,下表面则是平面,在同样的时间内,机翼上侧的空气比下侧的空气流过了较多的路程(曲线长于直线)在机尾汇合,这样机翼上表面的气流速度就大于下表面的气流速度,根据流动力学(伯努利定律)的原理,机翼下方气流产生的压力就大于上方气流的压力,因此在机翼得上下表面产生了压强差,这就使飞机产生了一个向上的升力,当飞机滑行到一定速度时,这个升力就达到了足以使飞机飞起来的力量,飞机就上了天。

二、伯努利原理在飞机飞行原理解释上的局限

上面的伯努利原理解释飞行升力原理似乎顺理成章,很有道理,这是因为上面的机翼形状很标准,上曲下平,有利于伯努利的解读。但用伯努利原理解读飞行原理也有一定的疑问,这就是像左下图的对称翼型(双凸)和中、右下图的平板翼型等形状的机翼,再用伯努利原理解读就太牵强了。人们在解释飞行的时候是很难看到拿这些翼型来举例子说明的,用的最多的就是上图那“上凸下平的非对称型结构(单凸)”来说明。

依附运动理论——挑战伯努利原理在飞行上的解读

早期飞机的翼型也不是“上凸下平”那样标准,像莱特兄弟竟用帆布做机翼也不妨碍成为航空历史第一人。虽然也有人以机翼上的空气流速大于机翼下的空气流速,但不要忘记,像莱特兄弟这样的飞机飞行速度实在是太慢了,机翼上下的速度差不是太明显的。

依附运动理论——挑战伯努利原理在飞行上的解读

像我们从小就喜欢叠的纸飞机,它甚至叠成上平下凸的结构。但也没有阻挡它激情澎湃的飞翔,直到动力消失为止,用伯努利原理来解释这种飞行是很吃力的。

依附运动理论——挑战伯努利原理在飞行上的解读

在认为利用了伯努利原理获取升力飞行的飞机竟能倒飞,这让我对飞行上的伯努利原理更产生疑问。试想一下,如果伯努利原理解释飞行是正确的,正飞时机翼产的升力可以克服重力,那么倒飞时同样的升力就变成下降力,再与机身本身重力那就是双重的下沉力了,可实际上一点也不耽误飞机在倒扣时的飞行。有的解释(实际上有的可能就这样做的)是飞机在倒飞时是以一定的上仰角(如右下图)飞行的,还可以利用活动的副翼、舵等进行下反气流产生向上升力维持高度飞行。

依附运动理论——挑战伯努利原理在飞行上的解读

那从前面叙述的倒飞原理上看,似乎迎角和活动的翼舵的作用力比伯努利原理产生的升力更为有效,因为全倒飞时机翼伯努利原理的副作用再加上机身的双重量都被飞机仰角和翼舵的调控所克服,这就让人怀疑伯努利原理在飞行上是否真的起作用,飞机的飞行是否真的是利用伯努利原理。

三、伯努利原理真的能产生强大的升力吗?

假设伯努利原理对飞行原理的解读是正确的,按照伯努利的理解,机翼上表面是曲(凸)面,下表面则是平面,在同样的时间内,机翼上侧的空气比下侧的空气流过了较多的路程(曲线长于直线),这样机翼上表面的气流速度就大于下表面的气流速度。由于机翼上曲面的长度和下平面的长度是不变的,所以机翼上表面的流速与下表面的流速成稳定的倍数关系,比方说机翼上曲面的长度是下直面的长度的1.3倍(这个倍数可能不小了,就算是半圆也只有1.57倍),那么机翼上表面的流速也是下表面的流速的1.3倍,而流速与压力成反比例,所以下表面的压力就是上表面压力的1.3倍。

依附运动理论——挑战伯努利原理在飞行上的解读

按照上面的分析,我们就可以计算了,如果按下表面的压力是上表面压力的1.3倍的话,那么机翼所得到的压力差就是上表面压力的0.3倍,也就是机翼所产生升力。那么可以用一个公式表示:机翼升力=0.3 X上表面压力

从公式上可以看出,只要上表面压力越大,机翼的升力就越大。可伯努利原理说了,“流速越快,流体产生的压力就越小”,你看,飞机在跑道上拚命奔跑的时候,流经机翼上下表面的气流速度是快了,但根据伯努利原理,气流压力反而小了。地面正常是一个标准的大气压,压力小于一个标准的大气压了,再乘以机翼上下表面的倍数差(如上面的0.3倍)就更小了。所以就造成飞机前进速度越快,机翼产生的升力就越小的窘境。

还可以简单地来想,本来机翼上下都是一个大气压,结果上下表面按照伯努利原理都因流速快而压力减小,而且上表面压力更小,飞行速度越快机翼上、下表面的压力都越小,两个小的压力之间的压力差不是更小吗?所以机翼得到的升力不是因为飞行速度的增加而更小吗?这是很荒谬的理解。可实际是并非如此,而是飞机前进速度越快,机翼产生的升力就越大。

所以用伯努利原理来解读特定翼型的升力,还存在着很大的疑问。你看,我这个幼稚无知的门外汉给严肃的科学开了个小玩笑,哈哈。为什么我会出现这搞笑的推理,是因为我对伯努利原理的成因和条件上的探索而打出的问号。

四、形成伯努利原理的成因和条件?

“流体力学之父”丹尼尔•伯努利在十八世纪初发现了“伯努利定律”:在水流或气流里,如果速度小,压强就大,如果速度大,压强就小,流速与压强成反比。

伯努利现象是怎么形成的?我是这样理解的,流体本身的分子都是无时无刻在做向各个方向的自由运动,这就形成了四面八方的压力(左下图)。当流体在运动时(从左向右运动)把本身的分子的自由运动状态改变了,也就是强制了分子的运动方向,如右下图所示。所以流体分子不能充分地自由运动,只能向前进方向运动,所以对周围的压力就减小了,与周围形成了压力差界面,这也就是流动时压强减小的原因。

依附运动理论——挑战伯努利原理在飞行上的解读

当气流的流动速度加快时,强制分子运动的能力就加强,流体分子的运动方向就越规范,越一致向前,所以对周围的压力就进一步减小。流速越快,压强就越小。

从以上伯努利原理的成因上我们可以分析出伯努利现象存在的特征,一是物质条件是气体或液体;二是气体或液体必须是流动着的,这才能强制了流体中分子的运动方向;三是伯努利原理的应用限于流体与外界的交界面上,而不是同样条件下的流体内。

上面为什么要强调第三点呢?这主要是因为从伯努利原理的成因上分析得到的。因为在向前运动的流体内部状态是一样的,达到一种平衡。只有在流体与外界不同状态的交界面上才会形成压力势差,所以要强调伯努利原理的应用就要限于流体与外界的交界面上。

网上(如 http://baike.baidu.com/view/553343.htm )的伯努利原理有几点应用介绍,分别是飞机的飞行,喷雾器的喷雾,汽油发动机汽化器的喷油雾,足球弧旋球的运动,还有乒乓球的上旋球的运动,列车限距线等。在这里后五个伯努利原理的应用都是流体与交界面上,只有第一个应用——机翼是在同样条件下的流体内,那么伯努利原理真的可以应用在运动的流体内吗?

五、飞机飞行的环境符合伯努利的条件吗?

伯努利原理的条件是空气(液体)是流动的,而飞机飞行时的空气是静止的,所以从伯努利原理的成因条件上看飞机的飞行环境与伯努利原理有本质的区别,不符合伯努利现象的第二条特征。伯努利原理是气流在运动时把本身的空气分子的自由运动状态改变了,强制了空气分子的运动方向,所以空气分子不能充分地自由运动,对周围的压力就小了。而飞机飞行时空气是静止的,空气分子自由运动丝毫不受影响,照样形成了四面八方的压力。所以,在飞机的前进中,并没有出现伯努利现象的条件,之所以人们以伯努利原理去理解,是因为人们以机翼与空气的相对运动中假定机翼静止的结果,但这种假定是不符合伯努利原理的。

另外,伯努利原理应用在流体与外界的交界面上,而假定机翼静止而形成的空气与机翼的相对运动,所受伯努利原理作用的机翼却身处气流之中,也不符合伯努利原理的第三条应用特征。

那么什么情况下飞行才能利用到伯努利原理?我想这就是创造伯努利原理的条件,这就是让空气运动,这样就可以利用伯努利原理了。那么在现实中可以往机翼上表面吹气时,从而使机翼上表面的压力变小,从而形成向上的吸力(升力),这是比较好的利用伯努利原理的办法。

依附运动理论——挑战伯努利原理在飞行上的解读

总之,现在一般的飞机(机翼)在空气中的飞行,都不存在构成伯努利原理的条件,所以都不是利用伯努利原理获取升力飞行的。

六、飞机到底如何飞行——依附运动在飞行上的解读

从以上的分析看,前人们总是以伯努利原理进行解读飞机飞行的升力是很牵强的,对于以上众多的疑问伯努利原理是难以圆说的,它在飞行上的应用范围太窄。那么飞机到底是如何飞行的,就要建立一套新的飞行理论来进行解读,看透飞行本质,以利于飞机的进一步的发展,这就是我总结的依附运动理论,我要用它来全面解读飞机到底是如何飞行的。

(一)、依附运动理论

1、依附运动理论和非依附运动

什么是依附运动?我本人的对此的定义就是运动物必须依附在被依附物体的表面或里面进行适合各自特点方向上的运动,依靠被依附物体来做克服地球引力(重力)的运动。没有被依附物体,运动物就不能实现这种克服地球引力的运动,这是互动双方(运动物和被依附物体)的多种力综合在一起,来共同实现克服重力的一种运动形式。如飞机的飞行就是一种复杂的依附运动,是牛顿第一、第三定律和空气密度压力理论等等在依附运动中综合在一起的的体现。

从依附运动的定义上看,地上跑的汽车、水上行驶的舰船还有天上(平)飞的飞机,它们的运动方式都属于依附型运动形式,汽车依靠道路,舰船依靠水面,飞机依靠空气,它们利用各自依靠的物体克服地球引力才能进行各种运动。当然,不仅仅上面三样物体,还有许许多多的依附运动的物体,比方说气球、鸟儿和各种小昆虫等与空气形成依附运动,鱼儿和潜艇等也与水形成依附运动,人和动物等也与地面形成依附运动。

那么什么是非依附运动?从依附运动的定义上看,在克服地球引力的过程中,主动物体不用依附在任何物体的表面或里面就能实现克服地球引力的运动,这就是非依附运动。从非依附运动的定义上看,火箭是一种典型的非依附运动,喷气飞机在做垂直拔起飞行的时候也是非依附运动。

2、依附运动的分类

在这些形形色色的依附运动中,运动物由于是依靠被依附物体运动克服地球引力的,因此所依附的被依附物体的特性不同,所形成的依附运动形式也不相同,同时,运动物本身性质的不同也能导致不同的运动结果,所以依附运动基本上可以分为两种类型,一种是非动力型依附运动(被动依附运动),如浮力型依附运动。一种是动力型依附运动(主动依附运动),如静止型依附运动和运动型依附运动。

(1)被动(非动力型)依附运动

浮力型依附运动是一种无动力型依附运动,它的自身不产生动力,完全依靠被依附物体与自身的特性共同产生的浮力来克服地球引力而“被迫”运动,并且运动方向一般情况下是与地球引力的方向平行,是一种被动依附运动。这类依附运动的代表主要有氢(氦)气球、热气球和潜艇等,它们的运动方向如果不受外力的情况下是垂直向上的,如气球垂直升空,潜艇在水中做上浮运动浮出水面。这类依附运动因本身和被依附物体的密度与质量的关系而不需要任何外力在重力的作用下就能垂直上浮升起来,所以是一种浮力型的依附运动。

(2)、主动(动力型)依附运动

主动依附运动不言而喻,就是主动利用本身的动力并借助被依附物体来克服重力的依附运动。主动(动力型)依附运动主要有两种形式,一种是静止型依附运动,另一种是运动型依附运动。

①、静止型依附运动

静止型依附运动主要是应用在陆地和水面上的。比方说路面这种被依附物体,它的特性表现为坚硬,不易变形,汽车再重也不会在路面上陷下去,所以汽车能在路面上行驶,也能静止在路面上,所以汽车与路面就形成静止型依附运动,也就是说运动物不运动时可以静止在被依附物体上(中,如潜艇),被依附物体不易变形,能抵抗运动物的重力把它托住。从静止型依附运动的概念上可以看出,汽车在路面上行驶,轮船在水上航行,人在地面上走,悬浮状态下的潜艇在水里航行等都是静止型依附运动。

②、运动型依附运动

我们再看飞机的飞行,如果飞机在空气中飞行时停下来,那就惨了,坠机了。这是因为被依附物体是气体,它的特性与水和地面不同,表现为比水还松软,更加稀薄,更易于变形,根本无法克服地球引力托住飞机。只有飞机与空气进行相对的运动,空气像手快速拍到水面上一样相对变得如地面一样的“坚硬”(不是真的硬,是空气对飞机产生强大的支持力—升力),才能抵抗飞机的重力托住它,如果不运动,空气是托不住飞机的。所以飞机与空气的这种运动形式就是运动型依附运动,也就是说运动物必须通过所依附的被依附物体(气体)中相对运动才能让所依附的物体抵抗运动物的重力托住它,如果运动物不运动,那么被依附物体就不能相对“变硬”而克服地球引力托住主动物体的。从运动型依附运动的概念上看,飞机在天上飞,小鸟在空中舞,拉动风筝在天上飘等都是运动型依附运动。

3、依附运动的特点

依附运动有着明显的特点,形式多样,构成了丰富多彩的运动世界。

(1)、必须是两种物体才能形成依附运动,必须是一种物体依靠另一种物体才能进行克服重力的运动。如鸟没有空气就不能飞,船无水就不航行等。没有依附关系,什么定理定律都免谈,只有存在依附关系,牛顿的第一定律和第三定律,还有空气的密度压力理论等等才能体现出来。

(2)、被依附物体一般是静止的,运动物必须是运动的。在依附运动中,被依附的物体像道路是静止的,水和空气一般可以认为是不动的,可能也会有一定的运动,但可以忽略不计,或进行增加或抵消的计算。

(3)、利用被依附物体克服自身的重力,所以在克服自身重力方面能量消耗较小。就像小学课文“小兔运南瓜”,扛着走会很累,而滚动着走却很轻松,这就是利用了依附运动。虽然以运动型依附运动的飞机比汽车这种静止型依附需要的动力要大些,但与飞机自身的重量相比还是小得多,因为是空气来“托住”飞机的重量的,所以飞机发动机的推力小于飞机的重力,能量消耗当然比非依附运动的火箭小多了,这是一种符合惯性原理省力的飞行方式。

(4)、依附运动是多种力综合在一起来共同实现克服重力的一种运动形式。如飞机的飞行就是牛顿第一、第三定律和密度压力理论等在依附运动中综合在一起的体现。

(5)、安全特点上看是各有千秋。气球等浮力型依附运动物速度慢,只要球衣不漏气就不怕,安全性高。静止型依附的好处是物体不运动时就静止在被依附物上,很安全。不足是运动时是用摩擦力实现前进和刹车,这种驱动方式在高速运动时不安全,或路面有冰发滑,摩擦力消失,不是走不动就是刹不住,特别是刹不住,那就惨了。而运动型依附的问题是不运动时空气就变形支持不住它,就会掉下去,优点是运动时的动力和刹车方向与前进方向在同一条直线上,能实现有效的前进和制动,很安全。很有趣,静止型依附和运动型依附一个静止时安全,一个运动时安全,所以汽车不怕发动机熄火,就怕路面打滑;而飞机就怕发动机空中停车,比汽车在路面打滑更可怕。

4、影响依附运动的因素

从依附运动的定义上看,影响依附运动的条件主要有依附运动双方物体的性质、运动方向、接触面积大小、运动物形状和受力情况等。

(1)、依附运动双方物体的性质

在依附运动中,运动物质量如果小于同体积的被依附物体,如浮空气球,可进行被动(非动力)依附运动,也就是垂直上升的浮空运动。如果运动物重于同体积的被依附物体,则要进行主动(动力型)依附运动,如汽车在地面的行驶,飞机在天空的飞行。

从被依附物体的性质上看,如果被依附物体坚固不易变形,就可以实现静止型依附运动,如汽车可以在路面上行驶,也可以停在路面上。如果被依附物体极易变形和膨胀,如空气,那么在空气中克服重力就必须进行运动型依附运动,如飞机的飞行。

(2)、运动方向、角度

靠浮力的被动依附运动如汽球的飞行是被动的飞行,所以它的上升方向与重力的方向平行。当然它上升到一定程度就可以悬停,可以加外力进行平飞,这种平飞现象不计。

而像汽车和飞机的飞行是一种主动式依附运动,它的运动方向则与自由飞翔的气球不同,它的运动方向不能与重力方向平行,一般是与重力方向垂直的方向,也就是水平的方向,这是主动依附运动最佳的运动方向。除了水平的运动方向外,还有趋向垂直的斜上方向,但越斜上方向,依附运动就会逐渐消失,直到垂直方向时成为非依附运动。比方说汽车在平道上行驶,就是最佳的依附运动,但走上坡路时,就吃力了,因为它的一部分动力要克服重力了。飞机也是,平飞是最佳的依附运动飞行状态,但上升的飞行就得用一部分动力直接来克服重力了,飞行状态就处在依附运动和非依附运动的中间。当飞机(主要是战斗机)的飞行完全竖直向上飞行时,依附运动状态消失,成为像火箭那样的非依附运动运动,完全由发动机的动力来支持飞机的重力,如果飞机的推重比不大于1的话,这种飞行是维持不了多久的,只能靠惯性爬升一段。所以主动依附运动最好还是进行水平的运动状态。

另外,运动物与前进方向的角度也会影响运动的效果,比如飞机有前进时机翼的迎角,对升力起着较大的影响。

(3)、接触的作用面积

运动物和被依附物体的接触面的大小也对依附运动存在较大的影响,一般认为接触面越大,克服重力的效果越好。接触面的大小我们可能有所感受,比方说我们打着伞向前走,由于伞的侧面相对于前进方向的面积很小,所以我们行走很轻松。如果我们顶着伞走,让伞的大大的圆顶面对着前进的方向,这样我们的行走就困难了。

但依附运动中的接触面不是与前进方向的接触面,而是指与重力方向的接触面,也就是与地面平行的接触面。接触的作用面积大小与所能承受的重量存在很大的关系,比方说汽车的轮胎,轮子越多,与路面的接触面越大,载重量也越大。但汽车的被依附物体是道路,是固体,属性坚硬,所以轮胎接地面积不太大就达载重几十至上百吨。可是飞机的被依附物体是空气,属性松软,易变形,所以机翼面积更大,因此在依附运动中要考虑面积大小对最终效果的影响。

(4)、运动物的形状

像汽车和轮船它的运动主要是依附在被依附物体的表面,所以本身的形状对运动的影响可以忽略。但像飞机和潜艇等在被依附物体里面运动,本身的形状对运动的影响就大了,合适的形状可以降低阻力,提高升力,或适应不同的速度要求,如飞机的亚音速和超音速及高超音速的机翼形状是各不相同的。

(5)、受力情况

依附运动会受到多种力的影响,如重力,拉力,阻力,牛顿第一定律和第三定律等等,特别是在被依附物体中运动的物体,还要受到密度压力的影响。

(二)、依附运动与飞行

由于本人主要想解读飞机的飞行,所以在下面的依附运动中主要以运动型依附运动为主来解读飞机如何在空气中飞行的。我们知道,飞机的飞行与空气的关系就像鱼儿与水的关系,没有空气,飞机就不能飞行。所以空气的性质就决定了飞机的飞行方式,这就是运动型依附运动。飞机在飞行时,因为被依附物体是气体,它的表现为比水还松软,更加稀薄,易于变形,根本无法托住飞机,只有飞机与空气进行相对的运动,像手快速拍到水面上一样相对变得如地面一样的“坚硬(产生强大的支持升力)”,才能抵抗飞机的重力托住它。根据影响依附运动的因素,我将从机翼的形状,面积、运动方向和角度,空气的性质,以及依附双方的受力情况进行分析。

根据依附运动原理,飞机在空气中飞行属于运动型依附运动,由于空气的性质决定了它无法像地面那样能托住飞机,所以要以机翼与空气的相对运动来克服自身的重力。如下图所示,飞机的机翼在空气中向左平移运动,在机翼与空气的相对运动中,有两种力在机翼和空气身上体现出来,这就是牛顿的第一定律和第三定律。

首先说被依附物——空气,根据牛顿的第一运动定律,也就是惯性定律,空气有保持其运动状态的属性,一般情况下,空气可以看成是静止的。虽然空气质量较小,但对于面积较大的机翼来说,想改变空气静止的运动状态也比较困难,特别是在相对运动速度快的时候。

再看运动物——机翼,它的平移速度越来越快,对所接触的空气施加一个作用力,同时空气也给机翼一个反作用力。机翼运动速度越快,对空气施加作用力就越大,那么空气给机翼的反作用力也越大。再加上相对于重力方向的机翼接触面积较大,所以空气给向前运动的机翼施加施加的作用力较大的。

从上面可以看出,飞机的飞行过程是牛顿的第一运动定律和第三运动定律在依附运动双方(机翼和空气)上的综合应用,让空气越来越“坚硬”,能托举起飞机来。

依附运动理论——挑战伯努利原理在飞行上的解读

从上面看,是牛顿和第一定律和第三定律让空气“坚硬”得能支撑起机翼克服飞机的重力,但仅有这些还是不够的。空气是有密度有压力的,密度压力对飞行升力的影响也是至关重要的。空气密度大,压力也就大,空气密度小,压力也就小,空气的密度与压力基本成正比关系,这就是空气的密度压力理论。举例说像大气,接近地表密度大,一个标准大气压,越到高空越稀薄,半个大气压都不到了。再比方说我们用嘴抽塑料瓶内的空气,瓶内空气密度就小了,外界的大气压就会把瓶子压瘪。而在飞行中能够影响空气的密度和压力的,最主要的就是机翼的形状结构和飞行姿态,所以就存在两种主要获取升力方式,一种是翼型升力,一种是仰(迎)角升力。

1、翼型升力

不同的翼型能适应不同的飞行条件。最经典的利用空气获取升力的翼型是非对称的上凸下平的机翼(如下图),是一种诱导型的机翼结构。这种机翼的上表面前头凸起,在前进时会冲击、推动空气顺着机翼上表面向旁侧离开运动,机翼前进速度越快,空气被推离幅度越大。空气被推离机翼上表面,紧贴机翼上表面的空气密度就变小,当机翼的中后部经过此处的时候,由于机翼中后部上下表面逐渐收缩到一起,所以被推离的空气也逐渐回来填补,那么就在机翼头凸起部和机翼尾收缩部之间就形成了一部分弧形空间的空气低密度区。由于这是机翼特定形状诱使下在机翼上表面形成的空气低密度区,所以称为空气诱导低密度区。

依附运动理论——挑战伯努利原理在飞行上的解读

再看机翼的下表面是比较平直的,正常无迎角平飞的时候,对空气没有施加影响,因此机翼下表面的空气是静止的,空气密度基本不变,没有受到压缩,压力也不变化,与周围空气的压力差不多。由于是无迎角平飞,无论速度多快机翼下表面的空气也保持静止的状态。但随着机翼速度的加快,机翼上表面的空气密度却越来越小,所以压力也越来越小。无论飞机的速度有多快,机翼下表面的空气总是保持密度压力的稳定,与周围空气压力差不多,而机翼上表面的空气却被前头凸起部分推离得更远,所以接近机翼上表面的空气就越来越稀薄,密度的减小压力当然也越来越小了,所以机翼上下表面形成向上的压力差越来越大。由于空气一个标准的大气压相当于给1平方米的面积施加了10吨的压力,所以较大面积的机翼所产生的升力是多么的可观,可以看出空气的密度压力理论在飞行上多么的重要。

从上面的分析可以看出,机翼的这种升力是利用机翼的特定形状来获得的,所以这种升力就叫做翼型升力。

由于机翼上表面的空气是与飞行方向垂直的运动,也就是被推离机翼表面的纵向运动,当机翼离开时再填补回来,而不是沿着机翼表面的横向流动。就像我们用手插入袋子里的大米,米粒被手分开向两旁运动,当手离开时米粒又自动合到一起。所以空气并不是真的顺着机翼流动,而是在做从机翼前头向旁侧做推离后再到机翼尾部填补回来的运动(空气在机翼前头分开到机翼尾汇合),空气在飞行方向上根本没有流动,所以与伯努利原理无关,这是空气的压力密度理论在起作用。那为什么后人把飞机的飞行与伯努利原理联系起来?我想这主要是没有真正了解伯努利原理的成因,伯努利原理的关键是流体必须是流动着的(见前面第四章说明),而不是像机翼和空气这样的相对运动。

另外如果认为机翼上下表面的空气都流动,利用伯努利原理分析就会得出上下表面压力都会减小的推测,速度越快压力越小,机翼上下表面的压力差也会越小,那么怎能形成飞机的强大升力呢?这就很矛盾。而按照依附运动理论分析就明白了,这是空气密度变化引起的压力变化而已,机翼速度越快,机翼上表面空气密度越小,压力越小。而机翼下表面的密度不变,压力不变,所以机翼速度越快,上下表面的压力差越大,就形成了强大的升力,这才是飞机为什么能起飞的正解。

因为依附理论否定了伯努利的原理在飞行上的应用,所以像风洞这样相对的条件用伯努利原理来研究机翼的升力情况我还是有微词的,这就是用风同时吹过机翼的上下表面,在下表面平直无阻挡,所以气流能很快到达尾部,但风吹过上表面时受到前头凸起的阻挡,风速应该受到影响,这就像大沙漠栽树能降低风速一样,机翼上表面的风我认为不可能与下表面的风同时到达尾部汇合。

依附运动理论——挑战伯努利原理在飞行上的解读

但并不是所以飞机的机翼都是这样标准的上凸下平的翼型,各种各样的翼型都有,如对称翼型,平板翼型,对称菱形等。这样的翼型就不容易获取诱导性的压差升力,但可以改变飞行姿态,只有利用一定的迎角就可以实现像“上凸下平”的翼型一样的压差升力了。下面就讲一讲在迎角状态下对飞行的影响。

2、仰(迎)角升力

机翼在有一定迎角运动时就像平移运动的扇叶片,下面以对称翼型为例,分析分析机翼在迎角状态下飞行的受力状况。与上凸下平的翼型相比,对称式或平板式的翼型在常态下飞行时就不能很好地利用大气的压差来获取升力,所以就得从飞行姿态上想办法,这就是以一定的机翼上仰安装角度或飞行迎角来飞行。

如下图所示,机翼以一定的迎角来飞行时,由于上表面前头没有凸起,所以不会推离空气,上表面对空气没有施加任何作用力。机翼以一定的仰角前进时,机翼的前缘把所遇空气全部推向机翼(前)下表面,那么在机翼的(后)上表面就会形成空白区,所以就得由机翼上方的空气来填补这个空白区域,由于机翼上方的空气是静止的,根据牛顿第一定律,既惯性定律,不能马上完全补充这个区域,所以在向下运动的过程中,在机翼上表面的就形成了空气低密度区。由于这种低密度区不是机翼形状诱导出来的,而是机翼前进时机翼背面“闪”出来的空白区域,是空气在回填补充时形成的低密度区,所以就叫作填补低密度区。由于空气密度低于周围的空气,所以机翼的上表面的压力也小于周围大气压力(负值)。

依附运动理论——挑战伯努利原理在飞行上的解读

机翼在前进时也把所遇空气全部“推”向机翼(前)下表面,空气在机翼下聚集压缩,空气密度较大,形成空气高密度区,根据密度与压力成正比的理论,密度大压力就大,所以机翼下表面的压力高于周围的大气压(正值)。机翼的上表面的压力小于周围大气压力(负值),机翼下表面的压力高于周围的大气压(正值),这一正一负,在机翼的上下表面间就形成了巨大的空气压力差,所以就产生了强大的升力。

这种迎角飞行还有好处,比方说聚集在机翼下的空气总不能赖在那不走,最后会顺势向后下方被机翼扇动推离,这个过程中牛顿的第三定律的作用就显现出来,也就是说作用力和反作用力起作用了。机翼下表面给众多压缩的空气一个向下方的作用力,被推离的空气就会给机翼一个向上的反作用力,这又增加了一份升力。

机翼上、下表面的空气密度差压力再加上机翼下表面的反作用力,这两种向上的力就形成了迎角飞行的强大升力,这种形式的升力就叫作迎(仰)角升力。

其实迎(仰)角升力是一种通用的升力方式,比方说翼型升力中标准的上凸下平的机翼在飞行时也可以采用迎角飞行,如下图所示。只不过在机翼上仰的过程中机翼上表面的诱导性低密度减弱,逐渐形成填补性低密度区。而机翼下表面上与迎角飞行过程相同,所以迎(仰)角飞行是一种最普遍的飞行。

依附运动理论——挑战伯努利原理在飞行上的解读

3、翼型升力和迎角升力的比较

(1)、在获得翼型升力时机翼在前进方向上无迎角时的迎风面积较小,基本上就是机翼的厚度。与翼型升力不同,迎角飞行时机翼在前进方向上的迎风面积就较大了,最大可能近半个机翼的面积。那么在前进时,对空气的挪移量就大了。翼型升力的形成过程中为了诱导低密度区而向上推离空气,根据牛顿第三定律,能产生一定的向下的负升力,只不过比机翼上下表面的压差升力小多了。而迎角飞行的机翼就不同,则全都是向上的正升力,也就是说它的压差升力是正的,反作用力升力也是正的,所以迎角升力是相当大的。

依附运动理论——挑战伯努利原理在飞行上的解读

(2)、翼型升力主要是密度压力起主要升力作用,而迎角升力是密度压力和牛顿第三定律都起作用,两份作用力起作用,再一次证明迎角升力是相当大的。

(3)、翼型升力只是单倍压力差。这是因为无论机翼速度多快,机翼的下表面的空气都是静止的,所以与周围空气的压力差不多(左上图)。而上表面的空气压力会越来越小,就算快小到0个大气压,那么也就是一个标准的大气压差。而迎角升力不同,它可能会形成双重的压力差。它的机翼上表面的压力越来越小,而机翼下表面的压力与周围的空气压力比会越来越大,这一大一小就是可能是双倍的压力了。

通过上面这主要几点的分析就可以看出为什么机翼在迎角飞行时升力更大的原因了。

总之,飞机在飞行时充分利用依附运动中的各种有利因素,如面积,速度,各种力,互动双方的性质等,让飞行能自由地飞翔。从研究中可以看出,除了向机翼中表面吹气外,现在飞机的飞行都不是利用伯努利原理飞行的,而是依附双方的性质、作用力等飞行,也就是的利用依附运动来飞行的。

(三)、研究依附运动的意义

依附运动理论能更好地解释一些飞行现象,能更好地帮助人们理解飞行。比如飞机飞行、倒飞,音爆的成因等。也能更好地帮助人们进一步的飞行,比如可以帮助人们设计出在一定速度范围内消音爆的飞机,设计垂直起降飞机等。

比方说飞机为什么能倒飞,这就是一种运动型依附运动,是机翼在迎角状态下飞行的一种表现,这是伯努利原理不容易解读的。

再比方说标准的升力翼型为什么不能用于超音速,这就是在依附运动中机翼前头凸起的部分在近音速时推开空气,由于机翼速度太快,空气还没来得及依附着机翼上表面到尾部汇合,机翼就“冲”过去了,所以被分开的空气在猛烈汇合撞击在一起,形成什么不利的紊流或音爆,不利于飞行。所以,超音速翼型就得菱形的或平板的等对称的机翼,让空气能依附机翼柔和运动。

依附运动理论的提出可以修正人们对飞行的认识,更正伯努利原理在飞行中的定势思维,让人们更了解飞机到底是怎么飞行的。因为我们以前都是认为飞机在飞行时伯努利原理是起作用的,所以我们就建立了风洞,什么东西都拿到洞里吹,这是完全模仿伯努利原理的。按照依附运动原理,就不是用风吹,而是让模型在有可观察烟层的洞中按一定的速度移动,从而模仿真实的飞行环境,观察真实的飞行状态。

依附运动理论认为飞机的飞行可能并不比汽车在地面的行驶消耗更多的能量。汽车在公路上行驶虽然不用像飞机那样大的动力,但公路的蜿蜒让汽车路程更长,公路的崎岖让汽车的能耗更大,所以汽车的油耗与公路的情况密不可分。而飞机只要上升到巡航高度后就可以平飞进行最节能的依附运动了,到目的地走直线,走捷径,速度是汽车的十多倍,快多了,所以飞机的与地面运输的能耗并不一定要高。但目前为什么空中航运就是昂贵呢?我想这就是滑跑起飞造成的问题,必须得有跑道。危险的起降,昂贵的机场建设费用,其它的附加费用等等。所以只要解决了飞机的起降问题,实现像地面汽车一样的经济行驶的日子就不远了。而依附运动理论的提出,让飞机的垂直起降找到了方向,只要设计出强大的利用依附运动的原地获取升力的装置,如风扇,就离实用的垂直起降更近了一步。

依附运动是一种多种学科多种理论起综合作用的运动理论,由于本人的能力所限,可能表达上不是太清楚,说明上有不足,这有待于他人的完善或帮助,也可能是否定。

做为一个航空爱好者,我想说的是我们中国人在研究飞行的时候要有自己的头脑,不能人云亦云。外国的月亮不一定比中国圆,他们的理论不一定是尽善尽美的。如果我们只是索取,不会打问号,不会创新,那我们永远都是小跟班的,永远受制于人。所以要用我们的智慧,用我们实在的双手,用我们那永远想飞的心来铸就祖国那永远蓝天雄鹰!

欢迎网友与我进行讨论:chenjingping1@126.com

QQ:597247266

陈敬萍

2012年3月17日

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楼主都说挑战···也不一定脑残··人家有一份精神··很多科学家都是这样走出来的··那些定律都是N年前的了··被打破也不足为其··我支持楼主的精神···同意的按下面

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