飞机是如何飞行的?

参考消息网4月17日报道澳大利亚“对话”网站3月18日刊登题为《飞机是如何飞行的？航空航天工程师解释飞行的物理学原理》的文章，作者是美国克拉克森大学机械与航空航天工程系教授克雷格·梅里特。内容编译如下：

飞机飞行是20世纪最重要的技术成就之一。飞机的发明使人们可以不到一天就从地球一边到另一边，而乘船或者乘火车要几个星期。

对于像我这样研究和设计飞机、火箭、卫星、直升机和太空舱的航空航天工程师来说，准确理解飞机为什么会飞是持续的挑战。

我们的工作是，通过使用科学和数学工具及想法，比如计算机模拟和实验，确保空中飞行或太空飞行安全可靠。

由于这样的工作，乘坐飞机是最安全的旅行方式——比轿车、公共汽车、火车或船更安全。但是，尽管航空航天工程师设计出非常复杂的飞机，但你可能会惊讶地发现，仍然有一些关于飞行物理学原理的细节是我们并不完全了解的。

考虑四种力

航空航天工程师在设计飞机时要考虑四种力：重力、推力、阻力和升力。工程师们利用这些力帮助设计飞机的形状、机翼的大小，并计算出飞机能搭载多少乘客。

例如，当飞机起飞时，推力必须大于阻力，升力必须大于重力。如果你观察飞机起飞，就会发现机翼通过机翼后面的襟翼来改变形状。襟翼有助于产生更大的升力，但也会产生更大的阻力，因此需要一个强大的发动机来产生更大的推力。

当飞机飞到足够的高度并向目的地巡航时，升力需要平衡重力，推力需要平衡阻力。因此，飞行员把襟翼收起来，可以设置发动机来产生较少的动力。

虽说如此，还是让我们来定义一下什么是力。根据牛顿第二定律，力等于质量乘以加速度，即F=ma。

每人每天都会遇到的一种力就是引力。引力让我们可以留在地面上。当你在医生办公室称体重时，他们实际是在测量你的身体对体重秤施加的力。当你的体重用磅表示时，这就是测量力的结果。

当飞机飞行时，引力把飞机往下拉。这个力就是飞机的重力。

但是飞机的发动机推动飞机前进，因为发动机产生推力。发动机吸入空气(空气是有质量的)，并迅速将空气从发动机后部排出——所以要给空气的质量乘以加速度。

根据牛顿第三定律，每一个作用力都对应一个相等但方向相反的反作用力。当空气从发动机后部冲出时，会产生一种反作用力推动飞机前进——这就是推力。

当飞机在空中飞行时，飞机将空气推开。还是根据牛顿第三定律，空气反推，导致阻力。

你可以在游泳时体验到类似阻力的感觉。你的手臂和腿在泳池里划水，产生推力。停止划水，你会继续前进，因为你有质量，但你会慢下来。你减速的原因是因为水把你往后推——这就是阻力。

升力更复杂

升力比重力、推力和阻力等其他力更复杂。它由飞机的机翼产生，而机翼的形状至关重要。机翼的形状被称为翼型。这主要意味着机翼的顶部和底部呈曲面状，不过不同飞机的曲面形状可以各不相同。

空气在翼型周围流动时，会产生压力——一种作用于较大表面的力。相比在翼型上表面造成的压力，在翼型下表面造成的压力较低。或者，从另一个角度来说，空气在翼型上表面流动的速度比在翼型下表面快。

理解为什么翼型上表面的压力和速度不同于翼型下表面，是理解升力的关键。通过提高我们对升力的理解，工程师们可以设计出更省油的飞机，为乘客提供更舒适的飞行体验。

谜团仍难解

为什么空气在翼型周围的流动速度不同，个中原因仍是个谜，科学家们还在研究这个问题。

航空航天工程师在风洞实验和飞行过程中测量了机翼上的这些压力。我们可以创建不同机翼的模型，来预测它们能否飞得好。我们还可以通过改变机翼的形状改变升力，从而制造出能飞得很远或飞得很快的飞机。

尽管我们仍没充分了解升力发生的原因，但航空航天工程师利用数学方程式，重建了空气在翼型上下表面流动的不同速度。这些方程式反映了一个被称为循环的过程。

循环为航空航天工程师提供了一种模拟机翼周围发生情况的方法，即使我们并不完全理解这是怎么发生的。换句话说，通过运用数学和科学，我们能够制造出安全高效的飞机，即使我们并不完全理解它的工作原理。

最终，如果航空航天工程师能够弄清楚为什么空气在机翼的不同侧面以不同的速度流动，我们就可以设计出使用燃料较少、造成污染较少的飞机。