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    伯努利定律
 
 
说完了飞行器基本的四种力之后,接下来就是让飞机飞起来的重要关键「升力」的来源。在第一节中,我们认识到升力,文章中也提及,升力不是一个单纯的、原生的力,升力其实是无数作用在机翼表面上的压力的总和。
 
当作用在机翼表面上的无数压力的总合是一个往上的正的力的时候,飞机就获得升力,说穿了,就是这么简单。但是,为了要更正确深入的了解升力,我们必须要先认识一下我们的大气环境以及白努利定理。也许许多人一辈子也不会发现,但是,我们的大气,其实就如同液体一般的存在着巨大的压力。这些气态以及液态的物质,我们统称它们为流体,流体的一个很重要的性质,就是它们都具有压力。
 
回顾一下基本的物理学,压力的单位是FL -2 ,也就是力量除以长度的平方,我们也可以说成力量除以面积,或者更白​​话一点说就是单位面积上的作用力大小。不管我们感觉得到与否,大气就如同流水一般,存在者无孔不入的压力,就好比水面之下,不论何处都存在着水压,大气也一样。再次的回顾一下流体的压力,我们先要记得,流体的压力是四面八方的,它永远垂直的作用于它的接触表面。
 
其次,我们要进入伯努利定理的核心了,这个定理的方程式,我想就不用造成大家的负担,但是要请千万记得这个定理的核心思想:「流速越快的流体,其作用在接触面上的压力越小」。乍听之下,很多人一定不以为然,流速快的流体,压力怎会比较小?让我来为大家说明,流速快的流体,它作用在冲击物体表面产生的冲量(速度×质量)比较大,但是其分子撞击接触物体表面的次数因为流速增的增加变少,压力的来源,就是流体的分子撞击接触表面而造成,所以,流速快的流体,在这个撞击次数减少的效应之下,它的流速越快,造成的压力越小。

 

 
现在我们来看看机翼的截面,机翼的截面,为了要发挥伯努利定理的效应,我们故意在上、下表面设计成不同的线条。在机翼的下表面,我们让空气直线的流过机翼表面,而在机翼的上表面,我们把机翼作成圆弧型,让它的长度比下翼面的直线要来的长。当机翼开始前进,并且对空气作相对运动时,发生了什么事?空气在机翼的前缘,被机翼切开分成两个部分,流经下翼面的空气,其流速与机翼对空气的相对速度相同,因为它走的是直线,我们没有让空气在下翼面转弯。然而,看到上翼面的部分,流经上翼面的空气,他走的路径是被我们刻意修改过的圆弧型,它对机翼的流速因为流过的距离更长而加快。(注)再回到伯努利说过的至理名言「流速越快的流体,其作用在接触面上的压力越小」,现在发生了什么事?下翼面的空气的压力比上翼面的要来的大,因为下翼面的空气流速比上翼面的要来的慢。



 
而在机翼的上表面,空气的压力也是沿着机翼的垂直方向,也就是垂直往下的方向,作用在机翼的上表面上。有一些压力因为作用的表面上的弧度(记得上翼面不是水平的),而方向可能略为偏前或偏后,但是把它们加总在一起,我们就可以得到一个向下的力量。这个力量因为流速差的关系,比作用在下表面上往上的力量要小。再次把这两个往上与往下的力加在一起,因为往上的力比较大,所以我们可以获得一个往上的总力。这个力量,就是飞机升力的来源。
 
不同的飞行器,把这个化时代的理论应用在不同的层面上,不只是一般我们常见的定翼机(主翼固定的飞机),利用此理论让飞行器获得升力。即使是在旋翼机(主翼旋转的飞机,一般称为直升机)的情况,飞机的升力一样来自于上下翼面的压力差,绝不是有些人以为的,直升机是像电风扇一样,把空气向下吹以获得升力。在此顺便提到一点,直升机的主旋翼固然会把气流向下导引,形成向电风扇的功能,但是这是另外一回事,下一单元的「机翼与气流」中也会提到。此外,这个重要的原理也是许多飞行器推力的来源,我们现在长看到许多超大型飞行器,用极为惊人的效率运送人员与货物,这些大型的运输工具,多半采用涡轮扇发动机作为推力来源。涡轮扇发动机的推力原理,后面一样会说到。但是还是有许多尺度较小的飞行器,采用螺旋桨作为推力来源,与直升机的主旋翼的原理相同,螺旋桨也是利用伯努利定理的压力差形成推力。怎摩说呢?螺旋桨的截面,其实和一个扭曲了的机翼是一样的,在螺旋桨旋转的时候,前方的空气流过螺旋桨的流速比较大,压力小;而螺旋桨后方的空气流过螺旋桨的流速较低,压力较大,因此我们获得往前的推力,至于螺旋桨的外型看来被扭曲,这是因为螺旋桨不像机翼,机翼穿过空气时,从翼根(最靠近机身的地方)一直到翼尖(最远离机身的地方)流速都是相同且稳定的。而在螺旋桨以及直升机主旋翼的条件下,因为它们是旋转穿过空气的,所以,越靠外缘的翼面,流速会越快,越靠近中心的部分,流速会越小,同时由于自身旋转造成的涡流,中心的部分是不太能产生推力的,因此,在这两种状况下,主要的力量(不管是往上或者往前)都来自于靠近外缘的旋转时获得较高流速的部分,因此在设计上,靠近旋转中心的内缘与远离旋转中心的外缘,会设计成不太一样的截面,以获得最佳的推力与效率,就是螺旋桨以及旋翼机主旋翼在外型上有点扭曲不似一般飞机主翼那般平整的原因。
 
 


 

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