高观点下看飞机的“升力”

封英 侯恕

1教材关于飞机升力的解释

关于飞机的升力，人教版八年级下册物理教材中《流体压强与流速的关系》一节借助教材中45页的图9.4-4，如图1所示，解释到机翼横截面的大致形状是其上表面弯曲，下表面比较平.因此飞机前进时，机翼与周围的空气发生相对运动，相当于气流迎面流过机翼.气流被分成上、下两部分，由于机翼横截面的形状上、下不对称，在相同时间内，机翼上方气流通过的路程较长，因而速度较大，它对机翼上表面的压强较小;下方气流通过的路程较短，速度较小，它对机翼下表面的压强较大.这样，机翼上、下表面就存在压强差，因而有压力差，这就是产生升力的原因.

2对飞机升力解释的质疑

上述解释虽然简单易懂，但实际上却很不严谨.

首先，相信很多人都看过飞行表演，其中就有飞机颠倒过来飞行的表演，利用上述原理，此时飞机整体上不但不能获得升力，还将受到一个向下的力，那此时飞机的升力应该怎么解释呢？

其次，上述原理强调了机翼上、下方气流在相同的时间内流过机翼，因此得到机翼上方气流通过的路程较长，因而速度较大;下方气流通过的路程较短，因而速度较小.然而通过查阅资料，可以知道机翼上方气流比下方气流先到机翼尾部，所以上、下方气流到机翼尾部的时间是不等的.

3高观点下分析飞机的升力

由伯努利方程P+12ρv2+ρgh=常数，可以看出，对于同一流线上的两点，流速越大，压强越小;流速越小，压强越大.

从相对空气静止的参考系看来，由于物体的运动而造成的空气的流动是非定常流动，对于非定常流动的流体是不能应用伯努利方程的.但从跟随物体一起运动的参考系看来（近似认为是惯性系），空气的运动可以看成是定常流动（定常流动指的是流体在不同时刻流经同一点的流速相同），则可以应用伯努利方程.

设飞机自右向左运动，在相对机翼静止的参考系里，气流是自左向右的定常流动，起初的流动如图2所示，机翼的上、下气流速度几乎相等，随后，由于机翼形状的不对称和流体黏性的影响，下方气流速度超过上方，于是在机翼尾部两股气流汇合处形成逆时针的涡流，如图3所示，此涡流脱离机翼而向下漂移，对机翼不起作用，由于角动量守恒，机翼周围就形成一个顺时针方向的环流，如图4所示，此环流叠加在原气流上，使机翼上方的气流速度增大，下方的气流速度减小，最后机翼周围形成如图5所示的定常气流，此气流在机翼上方的流速大于下方的流速.

综上所述，因为飞机飞行时机翼的厚度远远小于飞机与地面间的距离，因此机翼上、下方距离地面的高度h近似相等，可认为上下方在一条流线上，由伯努利方程P+12ρv2+ρgh=常数，可知对于同一流线上的两点，流速越大，压强越小;流速越小，压强越大.因此下方的压强将大于上方压强，从而形成了向上的合力，即机翼的升力.

4对教材的建议

最后，因为飞机的升力只是作为流体压强与流速的应用的案例，但是飞机的升力的原理对于初中生又显得较为复杂，作为传递知识的教科书，应该是严谨的，所以建议教师在教学中应选择更优的例子来解释流体压强与流速的关系.