這麼一個金屬做成的、幾百噸重的大傢伙，為什麼能像鳥兒一樣在天空中翱翔呢？

認識流體

我們都知道，幾乎所有的飛機飛行的主要場所都在

“天空”

中。

而這個“天空”，用更精確、更科學的語言來表述，就是在“大氣層”中。

大氣層，是由於地球引力的作用而包裹在地球表面的一層薄薄（相對於地球的體量來說）的氣體，或者用更通俗的話來講，空氣。

無論是空氣（氣體），還是水（或者其他的常見液體），都可以統稱為流體——一種與固體相對的，沒有一定形狀且非常易於流動的物質形式。

好了，下面我們來聊聊流體的幾種非常重要的特性。

第一，

流動性

。這一點很好理解，幾乎所有的流體都是由大量的、不斷做熱運動的、無固定平衡位置的分子構成的，所以肯定四處亂淌、見縫就鑽啦。

第二，

可壓縮性

。氣體的

可壓縮性

最強，液體很小（但不是沒有）。氣體有多能壓縮，最直觀的例子就是腳踏車的打氣筒：

你自己可以把打氣筒下面的嘴堵上，用力懟，看看能把筒子裡的氣體壓縮多少？

第三，

膨脹性

。流體和固體一樣，也會熱脹冷縮。但是它的

膨脹性

（尤其是氣體）可比固體劇烈的多！再舉一個例子，氣體在受熱條件下能夠爆發出驚人威力的，就是這個東西啦：

砰！巨響過後，一鍋香噴噴的爆米花出爐啦！

第四，

粘滯性

。流體在流動時其內部也是分層的，不同的層會相互摩擦、干擾，進而對流動產生阻滯，從而產生了許多極其複雜的流動形式，比如說層流、湍流啥的……

最常見的水的湍流——旋渦

飛機在空氣中拉出的巨大旋渦

（敲黑板）

請同學們記住上述幾種流體的特性：

流動性

可壓縮性

膨脹性

粘滯性

這些特徵，對接下來我們討論“飛機為啥能飛起來”這一話題，以及後續有關航空、航空發動機等等之類的話題，非常、非常重要！

鳥和風箏

好啦，接下來咱們進入今天的正題。

那麼，飛機到底是

擁務啥

（東北口音）能飛起來涅？

可能同學們都會說了——那不是因為飛機有翅膀（機翼）麼！

這話一點錯都沒有。

因為飛機的外形，正是借鑑了千百年來日常生活中隨處可見的兩樣東西——飛鳥和風箏。

但是，飛鳥和風箏之所以能夠在空中“飛”起來的原因，還是和飛機不大一樣哦。

比如說，我們最常見的鳥兒。

下面是模擬鳥兒翅膀運動的動圖。

看見沒？鳥兒揮動翅膀飛起來的原理其實比較簡單。

第一，鳥兒揮動翅膀，透過骨骼、肌肉及翅膀上的羽毛的相互配合，使得翅膀下方的空氣一下一下不斷被壓縮（請記住流體的可壓縮性）——導致這裡的空氣壓強比翅膀上方的高那麼一丟丟。

第二，由於翅膀下方的空氣

區域性瞬時

壓強比上方的大，所以下方的空氣就會不斷把翅膀朝上面

“頂”

——升力就這麼產生啦。

第三，當翅膀產生的升力大於鳥兒自身的重量時，它就飛起來啦！

如果我們用一個更宏觀的角度來看待這個問題，那麼就要用到一個非常簡單卻也非常重要的物理定律——

牛頓第三定律。

它是這樣表述的：

相互作用的兩個物體之間的作用力和反作用力總是大小相等，方向相反，作用在同一條直線上。

這就是最經典的

作用力

和反

作用力

的原理啦。

簡單來說（可能並不準確），就是你怎麼懟一個物體，那個物體也反過來怎麼懟你。

如果從這個角度來理解的話，鳥兒飛起來是因為如下的原因：

鳥兒透過不斷拍打翅膀，對某團空氣施加了一個向下的力，那麼根據牛頓第三定律，這團空氣必定也會對鳥兒施加一個相反（向上）的力。

不斷拍打不斷壓縮空氣，一直拍打一直爽。

然後鳥兒就飛起來咯……

（上文表述的有關空氣壓強的文字，不過是作用力與反作用力關係的細節描述罷了。）

這就是鳥兒的升力的來源。

講到這裡，可能有同學會問了：岡叔，風箏沒翅膀，好像也沒怎麼

煽動翅膀

，為什麼也能在天空中飛呢？

這個問題問得好！

我再加一個問題。

我們剛才討論了鳥兒揮動翅膀飛起來的原理。

而在現實中，我們還經常看到鳥兒伸直雙翅（並沒有揮動），在天空中翱翔。

那麼，這時的升力來源又是什麼呢？

先說結論：鳥兒翱翔時的升力來源，與風箏飛上天空，本質上是一樣的。

我們先看下面這張圖（岡叔的靈魂畫風）：

上圖中的紅線代表風箏的側面（我們可以把它簡化為一個平板）。

綠色箭頭代表風吹來的方向。

而風箏和風向之間必定有一個角度，我們把它叫做

攻角（也叫作迎角）

。這是一個很重要的概念！

啊，嘴碎的岡叔再多囉嗦一句，我們在放風箏之前，一般都要調整一個合適的攻角。

攻角為0

攻角為90度

瞧，錯誤的攻角示範。

上面的兩種情況，風箏是絕對飛不起來的。

那麼，為什麼風箏有了合適的攻角，就能飛上藍天呢？

請看下圖：

我們可以看見，正是因為有風箏攻角的存在，迫使一部分迎面而來的氣流

向下偏折

（等同於給空氣施加了向下的壓力）。

那麼，根據牛頓第三定律，

向下偏折的氣流

必定給予風箏一個相反的作用力——向上。

當風速達到一定值時，這個

向上的作用力

就會大於風箏本身的重力。

這就是風箏的升力來源啦！

而鳥兒翱翔的原理比這個稍稍複雜一些，我們稍後再講。

伯努利原理

如果同學們以前看過飛機飛行原理的科普文章，那麼往往都會遇到下面這張經典原理圖：

中間那個前厚後上彎下平的東西，是飛機翅膀的

橫截面

，或者說，

機翼剖面

。

這是一種非常經典的

機翼剖面

，我們把它叫做傳統翼型。

上下的箭頭代表四周的空氣流場。

一般的作者在解釋這張圖時，往往都會用

伯努利原理

來解釋。

簡單來說，這個原理是這樣描述的：

在流動的流體中，流速越大，壓強越小。

比如說你往兩片紙中間吹氣。

紙片中間的氣流

速度高，壓強小

紙片外側的氣流

速度低，壓強大；

所以外側的空氣會迫使兩張紙貼在一起。

這就是

伯努利原理

的直觀表達。

伯努利原理

再結合第一張圖，我們就得到了目前通常的、關於飛機飛行原理的闡述，如下圖：

你瞧，經典翼型之所以採用這種形狀，目的就是為了使得翅膀上表面的氣流流速比下表面快。

所以呢，下表面的壓強比上表面大，這種作用在機翼表面的

壓力差

，就是升力。

這樣的說法到底對不對呢？

對，也不全對。

升力的真正來源

如果飛機升力的來源只是因為飛機翅膀上下表面氣流的

流速差

，

如果能夠產生升力的翼型都是下圖這種上彎下平的經典翼型的話：

上彎下平的經典翼型

那麼，該如何解釋下面這樣的

超臨界翼型

呢？

上平下彎的超臨界機翼

超臨界機翼

是一種非常先進的機翼，在很多新型的大型飛機上都有所運用，比如說最近幾年的大網紅——運20。

你看哪，超臨界機翼的上表面是平的，下表面是彎曲的，是不是？

如果單單從伯努利原理來分析的話，超臨界機翼的下表面氣流會比上表面快（因為下表面彎度更大嘛），它應該會產生向下的

負升力

啊！

這樣的飛機不應該飛起來啊！

但是運20不是飛得好好的？

這到底是怎麼回事呢？

還有，有著正常的、上彎下平

經典翼型

的飛機偶爾還會倒著飛一把，如下圖：

瞧，上面那架飛機，整個都倒扣過來了。

它的翅膀產生的升力應該是向下的呀，為什麼它沒有一頭栽下來，還是能在天空中飛行呢？

再來一個。

我們上文剛剛討論過的風箏，側面看就是一個平板，沒有任何翼型，為什麼也能飛上天呢？

所以說啊，只用

伯努利原理

來解釋升力是

不全面

的。

其實升力來源的更多秘密，則來自於我們一開始就談到的、機翼的

攻角（或者迎角）

。

大能的攻角

坐過飛機的人都知道，飛機在起飛和降落時一般都會保持一個

高昂著頭

的姿勢。

為什麼會這樣呢？

為什麼它不平著身子起降，甚至以撅著屁股的姿勢起降呢？

這正是為了保證機翼相對於迎面而來的氣流有一個合適的攻角。

按照上文的分析，機翼迫使一部分氣流向下流動（下洗氣流），那麼，這部分氣流也會給予機翼一個向上的託舉力。

這就是飛機起飛、降落階段升力的來源。

牛頓第三定律

在其中起到了決定性的作用，就這麼簡單。

那麼，飛機飛上高空，轉為平飛了呢？

首先，絕大多數飛機的機翼都會和機身軸線有一個很小的夾角，叫做

安裝角

，其實起的就是攻角的作用。

也就是說，飛機在平飛時，機翼相對於氣流方向還是有一個很小的攻角。

其次，在這個時候，翼型就起到了重要的作用啦。

經過上面的討論，可能又有同學要問了：

攻角這麼牛逼，理論上講，飛機的機翼也別管什麼翼型了，直接一個平板，只要有合適的攻角飛機也能飛啦。

嘿，這話還真沒錯！

有一句話聽過沒？

力大磚飛！

只要動力足夠，磚頭也能飛上天！

那麼，我們為什麼還要為飛機的機翼設計和製造如此之多、如此複雜的翼型呢？

因為我們不能只考慮升力，這只是飛機的最基本功能啊！

我們還希望能夠減少阻力，能夠適應各種高度、各種速度什麼的（用專業的術語講，擴大

飛行包線

能夠提高

飛行品質

，進行各種

機動動作

——戰鬥機尤其看重這一點。

換句話說，

機翼除了產生升力這一最基本要求之外，還應該滿足許多其他別的需求呢

由上圖可見，彎彎的翼型產生的升力更大（當然阻力也更大），上下對稱的翼型升力更小（當然得有合適的攻角），但是阻力更小、速度更快。

再舉一個例子。

世界上第一款能夠飛到2馬赫（2倍音速）的戰鬥機是美國在50年代搞出來的F104。

2馬赫的F104戰鬥機

為了達到高速度，它的機翼採用了非常薄、非常平的翼型，簡直就和一片菜刀差不多！

F104機翼尖銳的前緣，真的可以用來切菜！

你再看這張一戰時期的慢騰騰的雙翼機，翼型明顯不一樣了吧，哈哈哈。

說到這裡可能還有人會問，岡叔你說的這個

攻角（或者迎角）

，真的有這麼厲害嗎？

是，就是這麼厲害！

一種飛行器，只要有合適的攻角，哪怕

沒有翅膀

都能飛起來！

比如說下面這些古怪的玩意兒：

美國的X-24A飛行器

美國的M2-F1飛行器

瞧瞧，上面這些圓滾滾的傢伙，都是美國在20世紀6、70年代研製的

升力體飛行器

。

沒有翅膀，也能飛！

只不過飛行和操控品質麼，啊哈哈……

還有經常伴隨著戰鬥機一起上鏡的各種

空對空導彈

看見右邊這枚粗點的導彈沒，這是一枚

中距空空導彈

。

它的升力來源，就靠著幾片小翅膀，以及圓滾滾的彈體。

左邊那個小個子是一枚

格鬥空空導彈

。

這貨更極端，連翅膀都沒有，升力全來自於彈體！

彈體就是一根棍子，怎麼產生升力？

攻角！攻角！攻角！

（重要的事情說三遍！）

別說一個導彈的彈體，就算是一根燒火棍，只要有強大的動力，還保持合適的攻角，都能在空中歡快地飛行你信不信？

最後一個例子。

現在各個軍事強國（包括我國）都開始玩

高超音速飛行器

。

這玩意兒的特徵就更明顯了，大都完全依靠自己的身體產生升力。

美國X-51A高超音速飛行器

當然，這樣的飛行器升力更多來自於極高速度產生的激波（所以也叫做

乘波體

），還是和上文描述的升力有一點點不同，這個我們以後再講。

又有同學問了，岡叔，那麼飛機的倒飛是怎麼回事呢？

還是很簡單，飛行員在倒飛時稍稍保持飛機屁股下壓，使得飛機翅膀同氣流有一個

正攻角

，就可以產生

正升力

啦！

倒飛的美國F-22

總結

綜上所述：

飛機

升力的來源

主要如下——

第一重要，機翼的攻角，或叫做迎角。無論在什麼時候都起到決定性的作用。

第二重要，翼型。機翼的彎度可以改變升力的大小，同時也對機翼的阻力，或者其他的空氣動力品質有很大影響。

好啦，這篇文章就到此結束。下一期我們開始講飛機的

操縱性

——飛機

擁務啥

（東北口音）能夠上升、下降、拐彎，甚至翻跟頭呢？

咱們回頭聊！

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