實(shí)驗(yàn)：用漏斗吹乒乓球?qū)嶒?yàn)

如果把球放在漏斗嘴里尊残，從瓶口向上吹氣炒瘸，那又會怎樣呢？有的同學(xué)說還是飛了寝衫，有的說不一定顷扩，有的說球趴著。我吹了一下慰毅，同學(xué)們發(fā)現(xiàn)球并沒有飛走隘截，感到疑惑不解。為了能感染同學(xué)們的好奇心汹胃，我讓一位力氣大的同學(xué)吹乒乓球婶芭，結(jié)果另好多同學(xué)露出了疑惑，為什么乒乓球沒有向上運(yùn)動呢着饥？

接下來我讓那位同學(xué)拿著漏斗向下吹乒乓球并向同學(xué)們提問乒乓球的運(yùn)動方向犀农？這回多數(shù)同學(xué)還是說向下運(yùn)動。但是這位同學(xué)的實(shí)驗(yàn)結(jié)果又更加重了同學(xué)們的疑惑宰掉。這時我引導(dǎo)同學(xué)們分析原因呵哨，得出結(jié)論。這個實(shí)驗(yàn)該我留下很深印象轨奄。

不管向哪個方向吹氣都會使漏斗內(nèi)側(cè)氣體流速變大壓強(qiáng)變小孟害，又因?yàn)榇髿庀蚋鱾€方向都有壓強(qiáng)，所以不管向哪個方向吹氣挪拟，漏斗中的乒乓球都不會被吹出去挨务。

這個現(xiàn)象反映了流體的流速和壓強(qiáng)的關(guān)系。當(dāng)人們用漏斗往下吹乒乓球時玉组，乒乓球不會下落谎柄。這是由于乒乓球的上方氣流速度大，壓強(qiáng)小球切，乒乓球的下方則相反谷誓，氣流的速度小壓強(qiáng)大，于是在乒乓球的上下方產(chǎn)生了向上的壓力吨凑，把乒乓球托住。

吹紙條實(shí)驗(yàn)

用嘴或用電吹風(fēng)沿紙條表面水平吹紙條户辱，紙條會向上升起鸵钝，而不會下垂。為什么如此庐镐？

當(dāng)空氣水平吹紙條時恩商，雖然空氣試圖沿水平方向直線運(yùn)動（如圖中的紅箭頭所示），但由于紙條在重力的作用下是向下彎曲的必逆，因此吹出的空氣有沿紙條的法線方向（如圖中藍(lán)箭頭所示）離開紙條表面的運(yùn)動怠堪，于是空氣被拉伸揽乱，于是空氣發(fā)生了膨脹，于是空氣壓力降低粟矿。于是距離紙面比較遠(yuǎn)的空氣壓力扔為一個大氣壓凰棉，于是吹出的空氣會被遠(yuǎn)端的大氣壓壓向紙面，使空氣的運(yùn)動方向發(fā)生改變陌粹，這是一個方面撒犀。另一個方面，因?yàn)榧垪l下表面的空氣仍為一個大氣壓掏秩，所以紙條下表面的空氣會將紙條向上頂或舞。綜合起來就是：一方面吹出的空氣的軌跡向下彎曲，另一方面紙條則向上升蒙幻，這樣紙條就上升啦映凳。

飛機(jī)為什么能飛起來？直到今天邮破，科學(xué)家仍然沒答案

來源：環(huán)球科學(xué)

一個難以置信的事實(shí)是：盡管萊特兄弟在100多年前就將飛機(jī)開上了天空魏宽，但直到今天，人們?nèi)匀徊磺宄龊酰w機(jī)是如何飛起來的队询。

從嚴(yán)格的數(shù)學(xué)層面上講，工程師們知道如何設(shè)計能在高空飛行的飛機(jī)构诚，但數(shù)學(xué)公式并不能解釋氣動升力產(chǎn)生的原因蚌斩。為了解釋這個問題，兩個理論針鋒相對范嘱，但兩者均無法提供完整的解釋送膳。

是什么產(chǎn)生了空氣動力學(xué)中的升力（lift）？各家的看法并沒有達(dá)成一致丑蛤〉科學(xué)家提出了兩種不同的理論來解釋升力。問題是受裹，這兩種非技術(shù)性的理論本身并沒有錯碌补，但兩者都沒有提出一個可以解釋升力各個方面的完整理論。

要完美解釋空氣動力學(xué)中的升力似乎是不可能的棉饶。要考慮飛機(jī)抬升過程中的所有作用力厦章、影響因素和物理條件，而不留下無法解釋或未知的問題照藻，這種理論真的存在嗎袜啃？

在美國航空航天局埃姆斯中心流體力學(xué)實(shí)驗(yàn)室中，科學(xué)家用水槽試驗(yàn)測試飛機(jī)表面的流場幸缕。圖片來源：伊恩·艾倫（Ian Allen）

有缺陷的經(jīng)典理論

到目前為止群发，對升力最流行的解釋是伯努利原理晰韵，這是瑞士數(shù)學(xué)家丹尼爾·伯努利（Daniel Bernoulli）在1738年發(fā)表的專著《流體動力學(xué)》（Hydrodynamica）中提出的一種原理。簡單地說熟妓，伯努利原理指出：流體的壓力會隨著速度的增加而減小雪猪，反之亦然。

飛機(jī)的機(jī)翼上方有一種特殊的凸起滑蚯，專業(yè)術(shù)語稱為翼型（airfoil）浪蹂。因?yàn)檫@種彎曲的存在，與流經(jīng)機(jī)翼平坦下表面的空氣相比告材，流經(jīng)彎曲上表面的空氣速度更快坤次。科學(xué)家認(rèn)為斥赋，按伯努利原理缰猴，機(jī)翼上表面流體速度的增加導(dǎo)致那里的氣壓降低，以此產(chǎn)生了向上的升力疤剑。

無論是風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)（主要觀察由煙氣粒子顯示出的軌跡流線）滑绒、噴管還是文丘里管（Venturi tubes，一種真空發(fā)生裝置）等實(shí)驗(yàn)隘膘，都給出了海量的經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)疑故。這些數(shù)據(jù)有力地證明了伯努利原理的正確性。然而弯菊，伯努利原理本身并不能完全解釋升力纵势。盡管實(shí)際經(jīng)驗(yàn)表明，在彎曲的表面上空氣流動的速度確實(shí)更快管钳，但伯努利原理卻無法解釋為什么會出現(xiàn)流速變快的現(xiàn)象钦铁。換句話說，這個定理并沒有說明機(jī)翼上方的高流速是如何產(chǎn)生的才漆。

一個眾所周知的演示牛曹，在很多網(wǎng)絡(luò)平臺，甚至一些教科書中都曾反復(fù)出現(xiàn)過醇滥，它宣稱可以“展示”伯努利原理黎比。在這個演示中，實(shí)驗(yàn)人員會將一張紙水平地放在嘴前腺办，并用氣吹動它上表面焰手，此時，紙面會上升怀喉。人們以此說明確實(shí)存在伯努利效應(yīng)〈欤可是躬拢，當(dāng)你吹紙的下表面時躲履，紙面還是會上升。按理說聊闯，紙張會應(yīng)該出現(xiàn)相反的結(jié)果工猜，因?yàn)榧垙埾虏康臍饬鲬?yīng)該把紙往下拉。

霍爾格·巴賓斯基（Holger Babinsky）是英國劍橋大學(xué)空氣動力學(xué)教授菱蔬，他指出：一側(cè)的氣流會讓彎曲紙面升起篷帅，“這并不是因?yàn)榭諝庠诩埫鎯蓚?cè)的流速不同”。為了說明這一點(diǎn)拴泌， 你可以吹一張平直的紙張來驗(yàn)證這一切魏身。例如，吹一張垂直懸吊的紙張蚪腐，看它是不是既不向一側(cè)移動也不向另一側(cè)移動箭昵。畢竟 “盡管氣流速度明顯存在差異，但是紙張兩側(cè)的壓力卻是一樣的”回季。

伯努利原理的第二個缺點(diǎn)是家制，它并沒有說明機(jī)翼上部高速流動的空氣為什么會形成更低的壓力，而不是更高的壓力泡一。畢竟颤殴，當(dāng)機(jī)翼向上移動時，空氣理應(yīng)被壓縮鼻忠，機(jī)翼頂部的壓力應(yīng)該會增加涵但。在日常生活中，這種“瓶頸現(xiàn)象”通常會讓事情變慢粥烁，而不是加速贤笆。例如，在高速公路上讨阻，當(dāng)兩條或多條車道合二為一時芥永，道路上的車輛不會開得更快，而是會出現(xiàn)車流減速的現(xiàn)象钝吮，甚至可能發(fā)生交通堵塞埋涧。在機(jī)翼上表面流動的空氣分子卻不是這樣的，但是伯努利原理卻并沒有說明白為什么會形成這種現(xiàn)象奇瘦。

第三個問題特別關(guān)鍵棘催，可以證明伯努利原理對升力的解釋是不對的：一架具有彎曲上表面的飛機(jī)翻過身來也能飛行。這種情況下耳标，彎曲的機(jī)翼表面變成了底面醇坝。根據(jù)伯努利原理，機(jī)翼的下表面的壓力會降低次坡，當(dāng)這個低壓環(huán)境結(jié)合重力作用呼猪，應(yīng)該會產(chǎn)生一個向下拉動飛機(jī)的效果画畅，而不是支撐它繼續(xù)飛行。但是宋距，無論是具有對稱翼型的飛機(jī)（其頂部和底部的曲率相當(dāng)）轴踱，還是上表面和下表面均為平坦翼型的飛機(jī)，只要機(jī)翼遇到迎面而來的風(fēng)谚赎，并且配合適當(dāng)?shù)挠且В寄芊^來飛行。這意味著壶唤，伯努利原理本身并不足以解釋升力產(chǎn)生的原因雳灵。

用伯努利原理解釋機(jī)翼升力的缺陷

除了用伯努利的理論來解釋升力外，科學(xué)家還試圖用另一種理論來解釋這種力的來源：牛頓的作用力和反作用力原理视粮。根據(jù)這個定律细办，當(dāng)機(jī)翼向下推空氣，有質(zhì)量的空氣會產(chǎn)生一個大小相等蕾殴、方向相反的向上推力笑撞，也就是升力。因此钓觉，理論認(rèn)為機(jī)翼是通過推動空氣使飛機(jī)產(chǎn)生升力的茴肥。這個理論適用于任何形狀的翅膀，彎曲的或平坦的荡灾，對稱的或不對稱的瓤狐。同時，這個理論也適用于正常飛行批幌，或者翻過來飛行的飛機(jī)础锐。因此，牛頓第三定律對升力的解釋比伯努利原理更全面荧缘，也能應(yīng)對更多情況皆警。

但就理論本身而言，作用力和反作用力并不能解釋機(jī)翼頂部的低壓區(qū)截粗，而這一區(qū)域的存在也與機(jī)翼是否彎曲無關(guān)了信姓。只有當(dāng)飛機(jī)著陸停止飛行后，機(jī)翼上方的低壓區(qū)才會消失绸罗，使頂部和底部變得一樣意推，恢復(fù)到周圍的氣壓。但是珊蟀，只要飛機(jī)在飛行菊值，低壓區(qū)就是空氣動力學(xué)無法忽視的因素，必須加以解釋，才能說明飛機(jī)為什么能飛起來俊性。

因此略步，無論是伯努利原理還是牛頓第三定律描扯，從各自的角度出發(fā)定页，它們都是正確的，兩者并不相互矛盾绽诚。然而典徊，問題在于，任何一個理論都無法完整地解釋升力恩够，兩者結(jié)合起來也不行卒落，因?yàn)閮烧叨歼z漏了一些東西。

理論發(fā)展史

要知道蜂桶，伯努利和牛頓都沒有想過用自己的理論可以解釋飛機(jī)的升力儡毕。他們各自生活的時代距離飛行時代還有很長一段時間。當(dāng)萊特兄弟成功將飛機(jī)飛上天后扑媚，同時代的科學(xué)家迫切地需要理解空氣動力學(xué)中的升力腰湾，解釋飛行背后的秘密，這兩種理論才因此被重新發(fā)現(xiàn)和套用疆股。

20世紀(jì)初期费坊，有幾位英國科學(xué)家推進(jìn)了升力的技術(shù)和相關(guān)的數(shù)學(xué)理論。他們認(rèn)為旬痹，空氣是一種完美的流體附井，這意味著它不可壓縮，粘度為零两残。雖然這與空氣的實(shí)際特性有區(qū)別永毅，但對需要理解和控制機(jī)械設(shè)備飛行的科學(xué)家而言，做出這樣的假設(shè)也是可以理解的人弓，因?yàn)檫@會使數(shù)學(xué)計算變得更簡單沼死、更直接。但這種簡化也需要付出相應(yīng)的代價：在理想的不可壓縮氣體中票从，無論算出的翼型在數(shù)學(xué)上多么成功漫雕，實(shí)際應(yīng)用時都會表現(xiàn)出各種缺陷。

阿爾伯特·愛因斯坦（Albert Einstein）也曾致力于研究升力問題峰鄙。1916年浸间，愛因斯坦給出了一個基于不可壓縮和無摩擦流體（也就是理想流體假設(shè)）的解釋。雖然沒有提到伯努利的名字吟榴，但他給出了一個與伯努利原理基本一致的解釋魁蒜。他說，流體壓力在速度較慢的地方更大，反之亦然兜看。為了利用這些壓力差锥咸，愛因斯坦提出了一種機(jī)翼頂部略帶隆起的設(shè)計，這樣的形狀可以增加隆起部位的氣流速度细移，從而降低那里的壓力搏予。

愛因斯坦或許認(rèn)為，基于理想流體的分析同樣適用于現(xiàn)實(shí)世界的流體弧轧。1917年雪侥，在理論的基礎(chǔ)上，愛因斯坦設(shè)計了一種被稱為貓背翼（cat‘s-back wing精绎，因?yàn)樗男螒B(tài)類似于正在伸懶腰的貓）的翼型速缨。隨后，他把設(shè)計方案帶給柏林的飛機(jī)制造商LVG 代乃。這家公司圍繞設(shè)計方案制造了一架新的飛行器旬牲。但試飛員卻報告說，這架飛機(jī)在空中搖擺不定搁吓，就像“一只懷孕的鴨子”原茅。1954年，愛因斯坦表示擎浴，當(dāng)初短暫涉及航空業(yè)的行為更像是“年輕人的愚蠢行為”员咽。

完備的升力理論？

如今贮预，設(shè)計飛機(jī)的科學(xué)方法是利用計算流體動力學(xué)（computational fluid dynamics贝室，CFD）模擬，以及計算充分考慮了真實(shí)空氣實(shí)際粘性的納維-斯托克斯（Navier-Stokes）方程仿吞。CFD模擬獲得的結(jié)果和上述方程的解能夠預(yù)測壓力分布模式滑频，給出氣流形態(tài)和定量的結(jié)果。現(xiàn)今的飛機(jī)設(shè)計領(lǐng)域已經(jīng)非常先進(jìn)唤冈，可以說這些技術(shù)就是行業(yè)的基礎(chǔ)峡迷。然而，它們本身并沒有對升力做出物理的你虹、定性的解釋绘搞。

近年來，美國知名空氣動力學(xué)家道格·麥克萊恩（Doug McLean）試圖超越純粹的數(shù)學(xué)形式傅物，著手處理飛行過程中的物理關(guān)系夯辖，這種關(guān)系或許可以解釋升力在現(xiàn)實(shí)中表現(xiàn)出的各種特性。2012年董饰，他在自己的書中對機(jī)翼升力提出了全新的解釋蒿褂。

在解釋升力時圆米，麥克萊恩也是從空氣動力學(xué)中最基本的假設(shè)開始的：機(jī)翼周圍的空氣作為“一種連續(xù)的介質(zhì)，會根據(jù)翼型的不同產(chǎn)生形變”啄栓。這種形變會以機(jī)翼上方和下方各自出現(xiàn)的流體形式存在娄帖。麥克萊恩寫道：“在一個被稱為壓力場的大區(qū)域內(nèi)，機(jī)翼會對氣壓產(chǎn)生影響昙楚〗伲”當(dāng)產(chǎn)生升力時，機(jī)翼上方總是會形成低壓的擴(kuò)散氣團(tuán)桂肌，機(jī)翼下方通常形成高壓的擴(kuò)散氣團(tuán)数焊。當(dāng)這些氣團(tuán)作用于機(jī)翼時，就構(gòu)成了對機(jī)翼產(chǎn)生升力的壓差崎场。

在整個過程中，機(jī)翼向下推動空氣遂蛀，導(dǎo)致氣流向下偏轉(zhuǎn)谭跨。機(jī)翼上方的空氣按伯努利原理被加速。機(jī)翼下方有一個高壓區(qū)李滴，機(jī)翼上方有一個低壓區(qū)螃宙。這意味著，在麥克萊恩對升力的解釋中所坯，有4個必要的組成部分：氣流向下轉(zhuǎn)向谆扎，氣流速度增加，低壓區(qū)和高壓區(qū)芹助。

可以說堂湖，這4個要素之間的相互關(guān)系是麥克萊恩的敘述中最新穎、最獨(dú)特的地方状土。他寫道：“它們在互為因果的關(guān)系中互相支持无蜂，其中任何一個要素的出現(xiàn)均離不開另外3個要素∶晌剑”壓差對翼型施加升力斥季，而氣流向下轉(zhuǎn)向和流速變化維持著壓差。正是在這種相互影響的系統(tǒng)中累驮，出現(xiàn)了麥克萊恩解釋的第5個要素：4個要素之間的相互作用關(guān)系酣倾。這4個要素似乎必須同時出現(xiàn)，相互影響谤专，相互誘發(fā)赡突，才能相互維持。

這種協(xié)同方式似乎有一種魔力妙黍。在麥克萊恩的描述中衰伯，就像是4個活躍的個體箱叁，只有互相幫助才能在空氣中共同維持√枰剑或者說耕漱，正如他所承認(rèn)的，這是一個“循環(huán)因果”的案例抬伺。但是螟够，“相互作用的每一個因素是如何維持和加強(qiáng)其他因素的呢？”是什么導(dǎo)致了這種互動峡钓、互惠妓笙、相互影響的動態(tài)體系？麥克萊恩的答案是：牛頓第二運(yùn)動定律能岩。

牛頓第二定律指出寞宫，物體或流體的加速度與施加在物體上的力成正比。麥克萊恩說：“牛頓第二定律告訴我們拉鹃，當(dāng)壓差對流體團(tuán)施加一個合力時辈赋，必然會導(dǎo)致流體團(tuán)運(yùn)動的速度或方向（或兩者）發(fā)生變化「嘌啵”但反過來钥屈，壓差的存在與否和大小變化也是由流體團(tuán)的加速情況決定的。

我們在這個過程中憑空獲得了一些能量嗎坝辫？麥克萊恩認(rèn)為并沒有篷就，如果機(jī)翼處于靜止?fàn)顟B(tài)，這套相互強(qiáng)化體系中的任何一個因素都不會存在近忙。只有當(dāng)機(jī)翼在空中移動時竭业，每個流體團(tuán)才會影響所有其他的流體團(tuán)。整個飛行過程支撐了這套相互刺激银锻、相互依存的因素的存在永品。

改進(jìn)升力理論

提出這個解釋后不久，麥克萊恩意識到他還沒有完全考慮空氣動力學(xué)中與升力相關(guān)的所有因素击纬，因?yàn)樵诮忉寵C(jī)翼上方的壓力為什么會與周圍環(huán)境不同時鼎姐，無法令人信服。因此更振，麥克萊恩在2018年11月刊的《物理教師》（The Physics Teacher）雜志上發(fā)表了一篇文章炕桨，對空氣動力中的升力提出了“全面的解釋”。

雖然這篇文章在很大程度上重申了麥克萊恩之前的論點(diǎn)肯腕，但他也做了進(jìn)一步的嘗試献宫，試圖更好地解釋是什么導(dǎo)致了壓力場的不均勻，為什么會呈現(xiàn)這種特有的物理形態(tài)实撒。另外姊途，他的新論點(diǎn)還引入了流場（flow field）級別的相互作用涉瘾，認(rèn)為這種非均勻壓力場是由一種作用力造成的，也就是機(jī)翼施加在空氣上的向下的作用力捷兰。

無論是在他的書中立叛，還是在后續(xù)的文章中，麥克萊恩是否完整而正確地解釋了升力的機(jī)制贡茅，還有待進(jìn)一步解釋和討論秘蛇。我們也可以看出，由于種種原因顶考，很難對空氣動力學(xué)升力作出清楚赁还、簡單和令人滿意的解釋。

雖然如此驹沿，目前我們需要進(jìn)一步解釋的已經(jīng)只有少數(shù)懸而未決的問題艘策。關(guān)于升力，你應(yīng)該能回想起來甚负，這是機(jī)翼上下表面壓力差導(dǎo)致的結(jié)果柬焕。對于翼型下表面的情況，我們已經(jīng)有了一個可以接受的解釋：迎面而來的空氣擠壓機(jī)翼梭域，在垂直方向產(chǎn)生升力，在水平方向產(chǎn)生阻力搅轿。向上擠壓機(jī)翼下表面的力病涨，以局部高氣壓的形式出現(xiàn)。簡單來說璧坟，這種更高的氣壓是作用力和反作用力的結(jié)果既穆。

然而，機(jī)翼上表面的情況卻大不相同雀鹃。那里存在一個低壓區(qū)幻工，是提供升力的重要部分。但是黎茎，如果伯努利原理和牛頓第三定律都不能解釋它囊颅，什么才能解釋它呢？從模擬實(shí)驗(yàn)中的流線信息傅瞻，我們可以得知踢代，機(jī)翼上方的空氣與翼型向下彎曲的特征緊密相連。但是嗅骄，為什么流過機(jī)翼上表面的氣團(tuán)必須順著隆起后向下彎曲的機(jī)翼流動呢胳挎？為什么不能離開它直接向后飛呢？

馬克·德雷拉（Mark Drela）是麻省理工學(xué)院流體動力學(xué)教授溺森，他給出了一個答案：“如果這些流體團(tuán)瞬間偏離機(jī)翼的上表面慕爬，它與機(jī)翼之間的空間就會形成真空窑眯，”他解釋道，“這個真空會把流體團(tuán)吸下去医窿，直到真空基本被填滿磅甩。也就是說，直到它們流動的方向再次與機(jī)翼正切留搔。這就是迫使流體團(tuán)沿著機(jī)翼形狀移動的物理機(jī)制更胖。局部存在一個輕微的真空環(huán)境就能使流體團(tuán)沿著彎曲的機(jī)翼表面流動「粝裕”

空氣團(tuán)的偏離却妨，以及被拉近的過程，使機(jī)翼的上表面區(qū)域產(chǎn)生了低壓括眠。這個過程還引發(fā)了另一種效應(yīng)：在機(jī)翼上表面彪标，空氣流動速度更快≈啦颍“當(dāng)機(jī)翼上方的氣流靠近機(jī)翼時捞烟，機(jī)翼上表面的低壓氣團(tuán)會在水平方向上‘拉動’氣流，因此当船，當(dāng)這些空氣抵達(dá)機(jī)翼時题画，速度會更快，”德雷拉說德频，“所以苍息，機(jī)翼上方的氣流速度增加，可以看作是壓力降低的副帶作用壹置【核迹”

但和往常一樣，在解釋升力時钞护，不同的專家會給出不同的答案盖喷。劍橋大學(xué)空氣動力學(xué)家巴賓斯基（Babinsky）說：“我很尊敬我的同事德雷拉，所以我很不愿意反對他的觀點(diǎn)难咕。但是课梳，如果真空的出現(xiàn)是升力出現(xiàn)的原因，就很難解釋步藕，為什么有時氣流不會流經(jīng)機(jī)翼表面惦界。當(dāng)然，他在其他方面都是正確的咙冗。這個問題可能真的沒有簡單快捷的解釋沾歪。”

德雷拉自己也承認(rèn)雾消，他的解釋在某些方面并不令人滿意灾搏。他表示：“一個明顯的問題是挫望，沒有一個解釋會被普遍接受】褚ぃ”看來媳板，直到今天，這個問題仍然沒有簡單的答案泉哈。