实际上人类还无法解释飞机为什么能飞

无法解释的升力

• 在严格的数学层面上，工程师知道如何设计能够保持飞行的飞机。但是方程式本身并不能解释升力产生的原理。
• 有两种主流的升力解释理论。可惜，两者都是不完整的解释。
• 空气动力学家最近试图缩小理解上的差距。尽管如此，仍然没有达成共识。

2003 年 12 月，为纪念莱特兄弟首飞 100 周年，《纽约时报》刊登了一篇题为《保持飞行，是什么让他们留在空中？》的文章。文章的重点是一个简单的问题：是什么让飞机保持在空中？为了回答这个问题，报方求助于美国国家航空航天博物馆空气动力学馆长、该领域多本教科书的作者小约翰·D·安德森 (John D. Anderson, Jr.).

然而，安德森所说的是，实际上对于升力产生的机理业界尚未达成共识。“对此没有简单直接的答案，”他告诉《纽约时报》。人们对这个问题给出了不同的答案，有些人甚至对自己的观点带有宗教般狂热的执着。在该声明发布 15 年多之后，对于产生升力的原因仍有不同的说法，每一种都有专属的大量捍卫者。航空科技发展到今天，这种情况有点令人匪夷所思。毕竟，大自然对物理学无任何了解，只是经过亿万年自然的，无意识的，随机的进化，她就创造了翱翔天际的飞鸟。然而，为什么我们可爱的科学家们很难解释是什么让鸟类和客机保持在空中呢？

更令人困惑的是，升力的解释存在两个独立的抽象级别：技术和非技术。它们是互补的而不是矛盾的，但它们的目标不同。一个作为严格的数学理论存在，其中分析介质由方程式、符号、计算机模拟和数字组成。对于合适的方程或它们的解是什么，几乎没有严重的分歧。技术数学理论的目标是做出准确的预测并预测对从事复杂飞机设计业务的航空工程师有用的结果。

但，方程不是解释，它们的解也不是！非技术层面的分析，就是为我们提供关于升力的物理、常识性解释，让我们直观地了解使飞机保持在高空的实际作用力和因素。这种方法不存在于数字和方程式的层面，而是存在于非专业人士熟悉和理解的概念和原理层面。

非技术层面正是争论的焦点。目前有两种主流解释，双方的拥护者都在文章、书籍和网络中争论他们的观点。问题在于，这两个非技术理论中的每一个在本身的范畴内都是正确的，但两者都没有对升力做出完整的解释。那么是否存在一种解释，提供了对控制空气动力升力的所有基本力、因素和物理条件的完整解释，没有悬而未决、无法解释或未知的问题。这样的理论是否存在？

两种主流观点

目前，对升力最流行的解释是伯努利定理，这是瑞士数学家丹尼尔·伯努利在其 1738 年的论文《流体动力学》中确定的原理。伯努利来自一个数学家家庭。他的父亲约翰对微积分做出了贡献，他的叔叔雅各布创造了“积分”一词。Daniel Bernoulli 的许多贡献都与流体流动有关：空气是一种流体，与他的名字相关的定理通常用流体动力学来表达。简单地说，伯努利定律说流体的压力随着速度的增加而减小，反之亦然。

伯努利定理试图将升力解释为机翼弯曲上表面的结果。由于这种曲率，穿过机翼顶部的空气比沿着机翼底部(底部表面是平坦的)表面移动的空气移动得更快。伯努利定理说，机翼顶部速度的增加造成顶部低压区域的出现，即升力。

（译者注：这种压力差造成了升力，所以这种解释倾向于飞机是被吸起来的）

来自风洞测试中的流线（烟雾颗粒线）、喷嘴和文丘里管的实验室实验等大量数据提供了压倒性的证据，证明如前所述，伯努利原理是正确。然而，伯努利定理本身并不能构成对升力的完整解释有几个原因。尽管空气在曲面上运动得更快是一个事实，但伯努利定理本身并不能解释为什么会这样。换句话说，该定理并没有说明机翼上方的更高速度的理论依据。

那么上表面的空气为什么移动得更快？根据最常见的理论（错误的！）——“等传输时间”理论——在机翼前缘分离的空气团必须在后缘同时重新汇合。因为在给定的时间内，顶部的包裹比底部的包裹走得更远（顶部是弯的），所以它们必须走得更快。这里的谬误是两个包裹必须同时到达后缘没有物理依据。事实上，他们并没有：事实上，顶部的空气移动速度比相等传输时间理论所能解释的要快得多。

伯努利原理还有一个臭名昭著的“演示”，在许多流行的视频号上、甚至一些教科书中都重复出现。将一张纸水平地放在嘴边，然后吹过它的弯曲顶部。纸面上升，据说说明了伯努利效应。那么当您吹过纸张底部时，应该会出现相反的结果：它下方的移动空气的速度应该将页面拉下。相反，矛盾的是，纸条依然上升了。

剑桥大学空气动力学教授 Holger Babinsky 在他的文章“机翼是如何工作的？”中为了证明这一点，吹过一张笔直的纸——例如，一张纸垂直下垂——并见证这张纸不会左右移动，因为“纸两面的压力是一样，尽管速度有明显差异。”

伯努利定理解释升力的第二个缺点是它没有说明机翼顶部的较高速度如何或为什么会带来较低的压力，而不是较高的压力。人们可能很自然地认为，当机翼的曲率向上置换空气时，空气被压缩，导致机翼顶部的压力增加。这种“瓶颈”通常会在日常生活中放慢速度，而不是加快速度。在高速公路上，当两条或多条车道合并为一条时，所涉及的汽车不会开得更快；取而代之的是大规模减速，甚至可能出现交通拥堵。可在机翼上流动的空气分子不会那样表现，但伯努利定理并没有说明原因。

伯努利定理解释升力的致命问题是：具有弯曲上表面的飞机能够倒转飞行！在倒飞中，弯曲的机翼表面成为底面，根据伯努利定理，它在机翼下方产生减压。这种较低的压力，加上重力，应该具有将飞机向下拉而不是保持飞机的整体飞行的效果。此外，只要翼型配合适当的迎角，那么具有对称翼型、顶部和底部曲率相等的飞机——甚至顶部和底部表面平坦——也能够倒飞。这意味着仅伯努利定理不足以解释这些事实。

另一个升力理论基于牛顿第三运动定律，即作用原理和反作用原理。该理论指出，机翼通过向下推动空气来保持飞机向上。空气有质量，根据牛顿第三定律，机翼向下的推力会导致大小相等且方向相反的向上推力，这就是升力。牛顿理论适用于任何形状的翅膀，弯曲的或扁平的，对称的或不对称的。它也适用于倒置或正面朝上飞行的飞机。工作中的作用力在普通经验中也很熟悉——例如，当您将手从行驶的汽车中伸出并向上倾斜时，空气会向下偏转，您的手就会抬起。由于这些原因，牛顿第三定律是比伯努利定理更普遍和更全面的升力解释。

但就其本身而言，作用原理和反作用原理也无法解释机翼顶部的较低压力，无论机翼是否弯曲，该区域都存在该压力。只有当飞机着陆并停止时，机翼顶部的低压区域才会消失，恢复到环境压力，并在顶部和底部变得相同。但只要飞机在飞行，那个低压区域就是空气动力升力不可避免的元素，必须加以解释。

历史理解

有意思的是，无论伯努利还是牛顿都没有试图解释过飞机的飞行原理，因为他们生活的时代还没有飞机。他们各自的定律和理论只是在莱特兄弟飞行后被重新利用，这使得科学家们了解空气动力学升力成为一项严肃而紧迫的工作。

这些理论叙述大部分来自欧洲。在 20 世纪初，几位英国科学家对升力进行了先进的技术和数学描述，将空气视为完美的流体，这意味着它不可压缩且粘度为零。这些都是不切实际的假设，但对于面临受控、动力机械飞行的新现象的科学家来说，这些假设是可以理解的。这些假设也使基础数学变得比其他情况更简单、更直接，但这种简单性是有代价的：无论在理想气体中运动的翼型在数学上如何成功，它们在实际上仍然存在缺陷。

在德国，一位致力于解决升力问题的科学家正是爱因斯坦。1916 年，爱因斯坦在 Die Naturwissenschaften 上发表了一篇题为“水波和飞行的基本理论”的文章，试图解释飞行机器和鸟类飞行的机理。“围绕这些问题有很多模糊之处，”爱因斯坦写道。“的确，我必须承认，即使在专业文献中，我也从未遇到过简单的答案。”

爱因斯坦给出了假设一种不可压缩、无摩擦的流体——即理想流体——的解释。他没有提到伯努利的名字，但他给出了一个与伯努利原理一致的解释，即流体速度越慢，流体压力越大，反之亦然。为了利用这些压力差，爱因斯坦提出了一种顶部有凸起的翼型，这样形状会增加凸起上方的气流速度，从而降低那里的压力。

爱因斯坦可能认为他的理想流体分析同样适用于现实世界的流体流动。1917 年，爱因斯坦根据他的理论设计了一种翼型，后来因其类似于伸展猫的驼背而被称为猫背翼。他将设计带到柏林的飞机制造商 LVG (Luftverkehrsgesellschaft)，后者围绕它建造了一台新的飞行器。一名试飞员报告说，这艘飞船像“一只怀孕的鸭子”一样在空中蹒跚而行。很久以后，在 1954 年，爱因斯坦本人称他的航空之旅是“年轻的愚蠢行为”。那个为我们提供了深入宇宙最小和最大组成部分的全新理论的人，却未能对升力的理解做出积极贡献，也未能提出实用的翼型设计。

迈向完整的提升理论

飞机设计的当代科学方法是计算流体动力学 (CFD) 模拟和所谓的 Navier-Stokes 方程，它们充分考虑了真实空气的实际粘度。这些方程的解和 CFD 模拟的输出产生压力分布预测、气流模式和定量结果，这些是当今高度先进的飞机设计的基础。尽管如此，它们本身并没有对升力给出物理的、定性的解释。

然而，近年来，领先的空气动力学家 Doug McLean 试图超越纯粹的数学形式主义，并掌握在所有现实生活中解释升力的物理因果关系。McLean （麦克莱恩）的大部分职业生涯都是在波音飞机公司担任工程师，专门从事 CFD 代码开发，他在 2012 年的文章《理解空气动力学：从真实物理学中论证》中发表了他的新想法。

考虑到这本书有 500 多页相当密集的技术分析，令人惊讶的是，它包含一个题为“非技术性读者可以理解的翼型升力的基本解释”的章节 (7.3.3)。制作这 16 页的内容对于该主题的大师McLean来说并不容易。事实上，这“可能是本书中最难写的部分”，作者说。“它经历了无数次修订。我从来没有完全满意过它。”

麦克莱恩对升力的复杂解释始于所有普通空气动力学的基本假设：机翼周围的空气充当“一种连续的材料，会变形以跟随翼型的轮廓。”这种变形以机翼上方和下方的深层流体流动的形式存在。“机翼会影响被称为压力场的大范围内的压力，”麦克莱恩写道。“当产生升力时，通常在翼型上方形成弥漫的低压云，而在下方通常形成弥漫的高压云。在这些云接触机翼的地方，它们构成了对机翼施加升力的压力差。”

机翼向下推动空气，导致气流向下转向。机翼上方的空气根据伯努利原理加速。此外，机翼下方有一个高压区，上方有一个低压区。这意味着麦克莱恩对升力的解释中有四个必要的组成部分：气流向下转向、气流速度增加、低压区域和高压区域。

但这四个要素之间的相互关系是麦克莱恩叙述中最新颖、最独特的方面。“他们在互惠的因果关系中相互依存，没有其他人自己就不会存在，”他写道。“压力差对翼型施加升力，而气流的向下转向和流速的变化则维持了压力差。”正是这种相互关系构成了麦克莱恩解释的第五个要素：四个要素之间的互惠。就好像这四个组成部分通过相互创造和因果关系的同时行为共同使自己存在并维持自己。

在这种协同作用中似乎有一丝魔力。麦克莱恩描述的过程似乎类似于四个积极的代理人互相拉扯彼此的引导以使自己保持在空中。或者，正如他所承认的，这是一个“循环因果”的案例。交互的每个元素如何可能维持和加强所有其他元素？是什么导致了这种相互、互惠、动态的互动？麦克莱恩的答案：牛顿第二运动定律。

牛顿第二定律指出，物体或流体的加速度与施加在其上的力成正比。“牛顿第二定律告诉我们，当压力差对流体包裹施加净力时，它必然导致包裹运动的速度或方向（或两者）发生变化，”麦克莱恩解释道。但反过来说，压差取决于包裹的加速度，并且由于包裹的加速度而存在。

这难道不是无中生有？麦克莱恩说不：如果机翼处于静止状态，那么这组相互加强的活动将不存在任何部分。但是，机翼在空中移动，每个部分都影响到所有其他部分，这一事实使这些相互依赖的元素存在并在整个飞行过程中维持它们。

在《理解空气动力学》一书出版后不久，麦克莱恩意识到他没有完全解释空气动力升力的所有要素，因为他没有令人信服地解释是什么导致机翼上的压力从环境压力发生变化。因此，2018 年 11 月，麦克莱恩在《物理老师》上发表了一篇由两部分组成的文章，他在其中提出了对气动升力的“全面物理解释”。

尽管这篇文章在很大程度上重申了 McLean 早期的论点，但它也试图对导致压力场不均匀的原因进行更好的解释，并假设了它的物理形状。特别是，他的新论点引入了流场水平的相互作用，因此非均匀压力场是施加力的结果，即翼型施加在空气上的向下力。

McLean 的第 7.3.3 节和他的后续文章是否成功地提供了对升力的完整和正确的描述，还有待解释和辩论。难以对气动升力进行清晰、简单和令人满意的说明是有原因的。一方面，流体流动比固体物体的运动更复杂、更难理解，尤其是在机翼前缘分离并沿顶部和底部受到不同物理力的流体流动。一些关于飞机的争议不是关于事实本身，而是关于如何解释这些事实，这可能涉及到无法通过实验来决定的问题。

不过，目前只有少数突出的问题需要解释。您会记得，升力是机翼顶部和底部之间压力差的结果。对于翼型底部发生的情况，我们已经有了一个可以接受的解释：迎面而来的空气在垂直方向（产生升力）和水平方向（产生阻力）上推动机翼。向上的推动力以机翼下方较高压力的形式存在，而这种较高压力是简单的牛顿作用和反应的结果。

然而，机翼顶部的情况却大不相同。那里存在一个较低压力的区域，该区域也是空气动力升力的一部分。但是，如果伯努利原理和牛顿第三定律都没有解释它，那又是什么呢？我们从流线中知道，机翼上方的空气紧密地附着在机翼向下的曲率上。但是，为什么穿过机翼顶面的空气团必须遵循其向下的曲率呢？为什么不能脱离它，直接飞回来？

麻省理工学院流体动力学教授，《飞行器空气动力学》一书的作者马克·德雷拉给出了一个答案：“如果空气包裹瞬间飞离机翼顶面的切线，它们下面就会产生真空。”他解释说。“然后，这种真空会吸入包裹，直到它们大部分填充真空，即——直到它们再次与机翼相切。这是迫使包裹沿机翼形状移动的物理机制。仍然存在轻微的局部真空，以使包裹保持在弯曲的路径中。”

将这些空气包裹从上方的相邻包裹中拉出或拉下是在机翼顶部产生低压区域的原因。但另一个影响也伴随着这个动作：机翼顶部的气流速度更高。“当空气包裹从上游接近时，提升机翼上降低的压力也会‘水平拉动’空气包裹，因此当它们到达机翼上方时，它们的速度会更高，”德雷拉说。“因此，提升翼上方的速度增加可以被视为那里压力降低的副作用。”

但与往常一样，在非技术层面解释升力时，另一位专家会有另一个答案。剑桥空气动力学家巴宾斯基说：“我讨厌不同意我尊敬的同事马克·德雷拉的观点，但如果真空的产生是解释，那么很难解释为什么有时流动仍然与表面分离。但他在其他所有方面都是正确的。问题是没有快速简单的解释。”

德雷拉本人也承认他的解释在某些方面并不令人满意。“一个明显的问题是，没有一种解释会被普遍接受，”他说。那么，我们将何去何从？实际上，就在我们开始的地方，正如小约翰·D·安德森，所说：“我们没有简单直接的答案。”