飞机为什么会飞

孙嘉鸿

自从1882年，俄国的海军军官莫查依斯基发明了世界上第一架飞机以来，到现在已70多年了。在这一段时间内，世界航空科学有了长足的进步，各种各样的飞机型式层出不穷。如军事上用的远程战略轰炸机，超音速歼击机，民航中用的巨型旅客机，它们所能达到的飞行速度，飞行高度和续航时间越来越惊人了，也越来越吸引着青年们去探求航空科学的奥秘，掌握通向宇宙飞行的秘密。

无论是哪一种飞机，它之所以能在天上飞行都是基于同一个原理的，也就是它们是依靠“空气动力”而在天上飞行的。这与气球、气艇之在空中飞行的原理不一样，后者是基于阿基米得原理，借空气的“静力”，即浮力而维持在空中不掉下来的。为了更好地说明飞行原理，我们先来谈谈有关空气动力学的几个基本定理。

(一)空气流动时的气流“流场”与“射流”

从物理学中我们知道空气的物理性质可以下列参数来说明它的特征即：压力P(单位是公斤/公尺2)，绝对温度T(T=273°＋t°C)，和密度ρ(单位是)。如果空气处于运动状态则尚需增加一项速度V(单位是公尺/秒)。如图1所示，在一任意的气流“流场”中，在点A，Б，B，Г等地方，让我们来观察气流的流动情况，在一段时间内可以看到有新的气体分子不断的在“流场”中通过。此时可以有二种情况。在第一种情况中，气体的参数(P，T，ρ和V)在此段时间的每一瞬间并不变化。这就是说如果观察者位于A点，那么流过它的不同的新的气体分子具有同样的速度VA，压力PA温度TA，密度ρA。在点Б处气体分子具有同样的速度VБ，(不等于VA)……等等。此时气体的参数于所观察的时间内，在每一点中保持不变，但在不同的点处则它们是彼此各不相同的。我们称这样的气流运动为稳定流动。如果气体参数于所观察的时间内在某一点上是变化的，那么我们称之为不稳定流动。在自然界中，我们所遇到的气流流动经常是不稳定的流动。研究这种流动是很困难的。因之为了简化起见，我们研究的气流流动都是稳定的流动，这样大大地使我们的研究简单化，同时又有相当精确的实用效果。在研究空气动力学时，对我们较为方便的是去观察整个流场中的“一股”气流即“射流”的运动情况。如在一稳定的流场中(见图1)，划出一封闭的周线S，通过S上流过的空气分子，形成一根根“流线”。这些流线所围成的管子叫做“流管”。这种从给定的流场中所分割出来的流管即称为“射流”。气体分子只能沿着射流而流动，不能从流管的横表面(管壁)中流进或流出。

图1.空气流动时的流场与射流，图中所示为空气流过一机翼剖面时的情况。

(二)连续方程式——射流中流体(液体或气体)的速度与管道截面面积的关系。

物质守恒定律乃是自然界中的基本定理之一。它告诉我们，在自然界中的物质本身永远不会增加或消失。连续方程式乃是物质守恒定律对气体或流体射流的一种应用。

观察一理想气体在射流中的稳定流动情况，如图2所示。在射流中取二个横截面I－I与Ⅱ－Ⅱ。设：

F1－截面I－I处的横截面积，单位以公尺2表示。

V1-气流流过F1截面时速度，单位以公尺/秒表示。

ρ1－在截面I－I处的空气密度，单位以表示。

m1－单位时间内流过截面I－I处的流体质量，单位以表示。

图2连续方程式的运用

F2，V2，ρ2，m2同上面一样分别表示截面Ⅱ－Ⅱ处的面积，气流流速，空气密度，与单位时间内流过截面Ⅱ－Ⅱ处的空气质量。

则连续方程式可写成m1=m2=……=常数，或可写为ρ1V1F1=ρ2V2F2=……=常数

若上述流体是不可压缩的，即ρ1=ρ2=……=常数，则式中密度可消去，上式变成V1F1=V2F2=……=常数(1)

由(1)式可看出，流体以稳定的速度在管道中流动时，流速的快慢和截面面积的大小成反比，凡是管道截面面积F大的地方，流速V一定小，面积小的地方，流速一定大。这一结论可在日常生活中找到很多例子。例如河道狭小处，流速快，宽广处，流速慢；庭院中风小，过道中风大(所谓穿堂风)；喷嘴很细的水龙头可以获得很大的喷速等等。

(三)伯努利定理——流体的流速与其静压力之间的关系。

另一个自然界中的基本定律之一乃是能量守恒定律。它告诉我们能量本身不会自行增长或消失，它只可能从一种形式转变到另一种形式。伯努利定理实质上就是能量守恒定律对空气或流体射流的一种应用。它是由俄国彼德堡科学院院士伯努利于1838年首先发现并确定的。它是这样说的：在一以稳定的速度流动着的流体中，假若流体是不可压缩的，而且能量没有增减，则沿一流线上各点流体的动压力和静压力的总和恒为一常数。写成方程式便是：=常数。或=常数(2)

式中P为静压力[公斤/公尺2]，ρ为密度，V为流速[公尺/秒]。1、2代表各不同的点，如图3所示。1/2ρv2[公斤/公尺2]一项称为动压力。所谓动压力即是由流速产生的附加压力。具体的例子是救火员水龙头中喷射出来的水柱的压力，当这水柱冲到人的身上时，人便会感到巨大力量的冲击。由(2)式可以很容易的看出流体静压力p与流速V之间的消长关系。当V增大时p减小；反之V减小时，p增大，自然界中有很多事实可以说明这一定理。当空气气流流过倾斜的屋顶时(如图4所示)，气流在顶部受到收缩(流过的截面面积狭小)，于是根据连续方程式，流速增加，压力减小。而在屋顶下面作用着与远处气流相同的正常大气压力ρ0。于是在刮大风时，由于内外压力相差悬殊，便会将屋顶上的铁皮吹跑。又如在并行的两条船中有水流过时，两船之间流速大，静压力小；两船外边流速小，静压力大，所以便会将船压拢，(如图5所示)。另外我们也可做一个简单的实验。如果我们拿二张薄纸，使其相互间平行的靠得较拢，用嘴使劲在夹缝中吹气，就可发现二张纸头不但不被吹开，反而相互接近起来。

(四)空气动力学中的可逆性原理

设某一物体在静止的空气中以一稳定的速度V运动，此时空气对物体产生一阻力R，此力作用在物体上(如图6a)所示)。阻力的大小由物体与空气间的相对速度V而决定。如果我们将物体固定住不动，而设法使空气以同一速度V流过物体，那么我们可以用实验的方法证明：作用在物体上的阻力R和上述情况中所得到的是完全一样的。空气动力学中的可逆性原理告诉我们的就是这样：物体(例如飞机)与流体(例如空气)作相对运动时，在物体上所产生的力随二者相对速度的变化而变化。应用这个原理，我们就可以在实验室里在风洞中(一种进行空气动力实验的特殊设备)利用人造风吹过飞机模型来研究它上面所产生的空气动力。为了方便，我们说明问题时都假定物体(例如飞机)是不动的，而空气则是运动的，它以速度V向物体迎面吹来。

在明白了上面所讲的几个基本定理后，我们就可以来解释飞机为什么会飞了。(未完待续)