飞机到底是如何飞起来的

关于飞机为何能飞起来，尤其是飞机为何能产生升力，有各种级别的解释和争议，我们可能看到过各种各样的科普文章。其实，争议的根源并不是我们不知道飞机为何能飞起来，根源是针对不同对象（如中学生、大学生和专业人士）很难找到一种既科学、又全面、又好理解又能被专业人士认可的解释。为了补充我们关于飞行秘密的知识，这里从四个角度介绍人们如何理解飞机为何能飞起来，或者如何看待飞行秘密。

（一） 艺术家视角

有一首摇滚歌词，从神话故事开始，到达尔文的杰作，到人类飞行梦想，再到莱特兄弟，唱出了飞行的秘密。

Saxon, The secret of Flight, 2018, https://www.azlyrics.com/lyrics/saxon/thesecretofflight.html

神话中的伊卡洛斯

塑造了飞向太阳的故事

为了飞行，达芬奇用画绘制飞机

虽然他的创作被遗忘了数世纪

人类曾向天空仰望

怀揣飞行梦想

期待某日不再迷茫

能像鹰一样翱翔

终于有了赖特兄弟

他们的首航即将开始

原来从机翼破解了秘密

翼型如刃让两侧流速不一

又据伯努利

这样现压差和升力

竞争出现在战争年代

载弹飞机被用来破坏

喷气让声速不再是障碍

爱因斯坦理论有了舞台

（二）因果关系视角

因果关系有不同层级，例如同层级因果机制、自上而下的因果机制、自下而上的因果机制和基于目的的因果机制，详细介绍见乔治·埃利斯（George Ellis）的综述文章。他用这四个因果层级分别给出了飞机为什么能飞的原因。

George Ellis (2012) Top-down causation and emergence: some comments on mechanisms，Interface Focus, 2, 126–140

1）自下而上的因果机制

飞机能飞是因为飞机在空气中飞行时，机翼下方和机翼上方有气流速度差，从而根据所谓的伯努利定理，上下机翼的表面存在气压差，产生抵消重力的升力。

2）同层级因果机制

飞机能飞是因为有经验、有飞行技能的飞行员在驾驶着它，且航空公司规划了此次飞行。

3）自上而下的因果机制

飞机能飞是因为在运输需求牵引下，人们能调动一切资源，由包含金属学、燃烧学、空气动力学、加工和计算机辅助设计等专业人员在内的团队将其设计得能飞行。

4）基于目的的因果机制

飞机之所以被设计成可以飞行，是因为这一设计将潜在地为制造商和航空公司带来利润。

（三）飞行器设计视角：米勒卡通

Sohler指出，一架完整的能飞的飞机是飞机制造公司多个设计与生产部门工程师们的知识、经验和渴望的综合结果。各个部门的协调十分困难，尤其那些看似不重要的部门。弥勒在他的飞机之梦中给出了一个卡通，可以称之为弥勒卡通。卡通形象地表明，各个部门如果不加制约，那么各自会“发明”出稀奇古怪根本无法飞行的飞机。

因此，飞机之所以能飞起来，是飞行器设计所各个部门综合协调的结果。

Sohler, S. E，1948,.  An Airplane is not a Rabbit,  Engineering and Sciency Monthly, Vol. 11, nº 4, April 1948.

（四）物理学视角

本公众号之前从物理学视角介绍过飞机为何能飞起来。这里归纳一下要点。

飞机为何能飞起来，2020.6.7

空气本身有压力，由于大气压力，物体表面每平方米会受到近十吨的压力。这种空气压力是可以改变的。有一种改变气压的方式，就是击打空气可以增高被击打空气的气压，拖拽空气可以降低被拖拽空气的气压。

有了以上空气本身有压力且压力可以改变的常识，就可以理解飞机为何能飞起来，即飞机机翼为何能产生升力了。 

飞机的机翼设计成了这样的形状和姿态，在发动机推力推动飞行的过程中，机翼的前端（前缘）相比于尾端（尾缘）抬起了一个适当的角度，这个角度在专业上称为迎角。

首先，不难理解，飞机在没有飞行时，机翼的上下表面是受大气压作用的。只是因为上下表面感知的是同样大小的压力，因此飞机不能自然飞起来。

站在地面上看和站在飞机上看，对飞机产生升力的理解略有区别。

先站在地面上考虑问题。

飞行时，迎面而来的空气被机翼下表面击打，于是按上面介绍的常识，会在下表面增高压力，机翼上表面背风前进时，由于正在拖动空气，于是在上表面降低了气流压力。因此，机翼下表面感知气流更高的压力，机翼上表面感知气流更低的压力，如同有举重机从下方举机翼，有起重机从上方吊机翼，于是就产生了让飞机飞起来的升力。

站在地面看飞行

如果站在飞机上看机翼周围的气流，就更有意思了，且可以用新的视角来解释机翼如何产生升力的。但这种解释要用到更多的超出我们常识的知识，适合面向更专业的人士。

跟着飞机看气流

可以这样来理解升力的产生：气流满足所谓的伯努利定理，即流速快的地方压力低，由于机翼上部气流比下部气流快，因此，按伯努利定理，机翼上部气流压力低，下部气流压力更高，于是就产生了升力。  

后一种解释带来的问题是，我们可能并不能理解为什么成立伯努利定理，更不能理解上部气流为何比下部气流更快，除非我们有更多的专业基础。