升力

title: 解释.
content: 升力取决于空气的密度,速度的平方,空气的黏性以及空气的可压缩性,空气流经物体的表面积,物体的形状,以及物体与气流的夹角。一般来说,升力与物体外形,气流夹角,空气的黏性,以及空气的可压缩性这几项的关联是非常复杂的。  升力,就是向上的力。从机翼流线谱中看出:相对气流稳定而连续地流过机翼时,上下表面的流线情况不同。上表面流线是弯曲的,其气会产生负压、因此压力小;而下表面流线较平直的,其气流不会产生负压,压力较大。因此,产生了上下压力差。这个压力差就是空气动力(R),它垂直流速方向的分力就是升力(Y)。流过各个剖面升力总合就是机翼的升力。升力维持飞机在空中飞行。
title: 机翼升力的简化物理解释.
content: 机翼是流线型的,能够产生比阻力大得多的升力。平板可以产生升力,但其升力不如流线型机翼来得大,阻力也略高。  有几种方法可以解释机翼如何产生升力。某些方法较为严格复杂,有些则是错的。例如,有基于牛顿运动定律的解释,也有基于伯努利原理的解释。两者都可以解释升力。
title: 流体偏转及牛顿定律.
content: 气流经过机翼时,机翼会对空气施加向下的力,根据牛顿第三定律,空气必须对机翼施加大小相等、方向相反的反作用力,也就是方向朝上的升力。  气流在经过机翼时改变方向,沿着向下弯曲的路径流动。根据牛顿第二定律,这种流动方向的改变,需要机翼对空气施加向下的力。牛顿第三定律则要求空气对机翼施加向上的力; 因此产生了与方向变化相反的反作用力——升力。  气流之所以向下偏转,并非仅仅由机翼的下表面造成,机翼上方的气流也占了很大的因素。
title: 流速增加及伯努利原理.
content: 伯努利原理指出,流体的压力和速度之间存在着直接的数学关系,因此,如果知道气流中每一点的速度,就可以计算出压力,反之亦然。对于任何产生升力的机翼,必然存在压力不平衡,即顶部的平均气压低于底部。伯努利原理指出,这种压力差必须伴随着速度差。
title: 质量守恒.
content: 由理论和实验中观察到的流动型态,上表面流速增加的原因,可以用流管夹紧和质量守恒来解释。  对于不可压缩流,质量不会被创造或破坏,所以当流管变窄时,为了保持流量恒定,在每个流管内,体积流率(例如每分钟的体积单位)必须保持恒定,变窄区域内会增加流速,以满足质量守恒原理。  在机翼的情形,因为向上流动和围绕机翼,所以上部流管收缩。由于质量守恒,流速必须随着流管面积的减小而增大。同样,下部流管会膨胀,导致流速变慢。  根据伯努利原理,上表面流速较快,因此上表面压力小于流速较慢的下表面压力。这种压力差产生了向上的净空气动力。
title: 简化解释的限制.
content: 产生升力需要维持垂直和水平方向上的压力差,故同时需要「气流的向下偏转」以及「符合伯努利原理的流速变化」。因此上述的简化解释不够完整,因为它们只根据其中一项来定义升力。根据细节,简化的解释还有其他缺陷。  基于流体偏转和牛顿定律的解释是正确的,但仍不完整。它并没有解释,机翼如何使比它实际碰触部分还远得多的流体也能产生偏转。此外,它也没有解释水平方向上的压力差是如何维持的。也就是说,它忽略了相互作用中「伯努利原理所影响的部分」。  而伯努利原理的解释,建立在上表面有更高的流速,但未能正确解释是什么导致了流速加快:  只考虑伯努利的解释意味着,速度差是由压力差以外的原因所引起,且根据伯努利原理,速度差会再导致压力差,但是这种隐含的单向因果关系是一种误解,压力和速度之间真正的因果关系是相互的。最后,只有伯努利的解释不能解释垂直方向上的压力差是如何维持的。也就是说,它们忽略了相互作用中向下偏转气流的部分。
title: 替代解释、误解和争议.
content: 对于机翼升力的产生,人们提出了许多不同的解释,大多数是为了向大众解释升力现象。虽然这些解释可能与上述解释有共通点,但可能会引入额外的假设和简化。有一些解释引入了被证明是错误的假设,如「相同过境时间假设」。一些则是使用了有争议的术语,如“康达效应”。
title: 基于相同过境时间的错误解释.
content: 在基础或常见的资料中,“等过境时间”理论经常用于描述升力,该理论错误地认为,在机翼前缘分离的气团必须在后缘重新汇合,迫使沿较长上表面飞行的空气速度更快。然后引用伯努利原理得出结论,沿着机翼底部移动的气流速度较慢,气压一定会更高,从而推动机翼上升。  然而,没有物理原理要求等过境时间这个条件成立,实验结果则表明该假设是错误的。事实上,机翼上方产生升力的空气运动速度比等过境理论预测的要快得多。此外,这个理论也违反了牛顿第三运动定律,因为它描述了作用在机翼上的力,却没有伴随着反作用力。  空气必须同时到达后缘的论断有时被称为“等时间谬论”。
title: 康达效应之争议.
content: 起初,康达效应指的是,流体射流(jet)会维持「附着在偏离流体的相邻弯曲表面」的趋势,由此将环境空气卷入流体。 这种效应命名自罗马尼亚的空气动力学家康达(HenriCoandă),他在多项专利中充分应用了该效应。  更广泛地说,一些人认为,这种效应包括了任何「流体边界层会去附着在曲面上」的趋势,而不只是专用于流体射流的边界层。在这个更广泛的意义上,某些人用康达效应解释为何气流会维持在机翼上的附着状态。例如,Jef Raskin描述了一个简单的演示,用一根吸管吹气,使气流通过机翼的上表面,机翼因此向上偏转,从而证明康达效应能够产生升力。这个演示以流体喷射(吸管所排放的气流)紧临曲面(翼面),正确展示了康达效应。然而,上表面的气流是一个复杂的、充满涡流的混合层,而与此同时,下表面的气流却是静止的。因此,这个演示的物理性质与一般在机翼上的气流有很大的不同。这种用法在一些流行的空气动力学参考文献中也曾出现过,而这是对“康达效应”充满争议的用法。更公认的空气动力学领域观点是,康达效应被定义在比上述更受限的意义上,沿着上表面的气流只是反映出「缺乏了边界层的分离」; 因此它不是康达效应的一个例子。
title: 更全面的物理解释.
content: 在“机翼升力的简化物理解释”中,有两种主要解释:一种是基于气流向下偏转(牛顿定律),另一种是基于压力差而伴随流速变化(伯努利原理)。这两种现像中的任何一种,都部分辨识了升力的面貌,但未解释其他重要部分。更全面的解释包括向下偏转和压力差(包括与压力差相关的流速变化),以及对气流更详细地研究。
title: 机翼表面的升力.
content: 机翼形状和攻角共同作用,使机翼在气流经过时对空气施加向下的力。根据牛顿第三定律,空气必须对机翼施加一个大小相等、方向相反(向上)的力,也就是升力。  当机翼表面出现压力差,空气会对机翼表面施加净力。流体中的压力在绝对意义上总是正的,因此,必须把压力看作是推,而不是拉。因此,在机翼的任何地方,无论上表面或下表面,机翼会被压力往内推挤。为了对机翼的存在作出反应,气流通过时,会降低上表面压力以及增加下表面压力。因为向上推的下表面压力比向下推的上表面的压力来得大,最终的结果就是向上的升力。  压力差直接造成作用于机翼表面的升力; 然而,要理解压力差是如何产生的,就需要理解气流在更大范围内的作用。
title: 机翼周围的更宽流动.
content: 机翼在大范围内影响气流的速度和方向,产生一种称为速度场的模式。当机翼产生升力,机翼前面的流体向上偏转,而机翼上方和下方气流向下偏转,机翼后方的气流则再次向上偏转,远抛在后的气流与迎面而来的气流处于相同的状态。机翼上方的气流加快,而机翼下方的气流减慢。加上前面空气向上偏转和后面空气向下偏转,这就构成了气流的净循环成分。向下偏转及流速变化明显,并延伸到一个很广的区域,正如右边的气流动画。气流方向和速度上的差异在靠近机翼处最大,在远高于和低于机翼的地方逐渐减小。速度场的所有这些特征也出现在升力气流的理论模型中。  压力也受到大面积的影响,形成一种称为压力场的非均匀压力模式。当机翼产生升力时,机翼上方有一个低压扩散区,机翼下方通常有一个高压扩散区,如图中的等压线(恒压曲线)所示。作用于表面的压力差只是这个压力场的一部分。
title: 压力差与流速变化的相互作用.
content: 不均匀的压力,在压力由高到低的方向上,对空气施力。 在机翼周围的不同位置,如在等压线图中箭头方向所示,力的方向是不同的。 机翼上方的空气被推向低压区域中心,机翼下方的空气则被从高压区域中心向外推送。  根据牛顿第二定律,空气朝受力方向加速。因此,在等压线图中,垂直箭头指出,机翼上下方的空气被加速或向下偏转,因此,在气流动画中,非均匀压力可能是可见气流向下偏转的原因。为了产生这种向下转弯,机翼必须有一个正攻角,或是其后部向下弯曲,就像带有拱形的机翼。注意,上表面的气流向下翻转,是由于上面压力大于下面压力而将空气向下推的结果。有些解释(请参阅“康达效应”)表明,对于向下偏转,粘度将起到关键的作用,不过这是错误的解释。(请参阅“康达效应之争议”)。  机翼前方的箭头,表示前方的气流向上偏转;后方的箭头则表示,机翼后方的气流会在向下偏转后,再次向上偏转。这些偏移可以在气流动画中看到。  机翼前方和后方的箭头也表明,当空气通过机翼上方的低压区,会在进入时加速,离开时减速。空气通过机翼下方的高压区时,则是相反的情况——它先是减速,然后加速。因此,非均匀压力也是气流动画中流速变化的原因。而流速变化与伯努利原理一致,伯努利原理认为在无粘性的稳定流动中,低压力意味着高速度,而高压力意味着低速度。  因此,流动方向和速度的变化是由非均匀压力直接引起的。但这种因果关系不仅是单向的; 而是在两个方向上同时奏效。空气的运动受压力差的影响,但压力差的存在取决于空气的运动。因此,这种关系是一种互惠的相互作用:气流根据压差改变速度或方向,而压差是由空气对速度或方向变化的阻力维持的。只有当有东西可以推动时,压力差才会存在。在空气动力流动中,当空气因为压力差而加速时,压力差会推动空气的惯性。这就是为什么空气质量是计算的一部分,为什么升力取决于空气密度。  为了维持机翼表面升力所需的压力差,需要在机翼周遭的大范围内维持不均匀的压力模式。这就要求维持垂直和水平方向的压力差,既需要气流的向下偏转,也需要根据伯努利原理造成的流速变化。压力差与气流的方向和速度变化相互作用,相互支撑。压力差理所当然来自于牛顿第二定律,也来自于流体沿着机翼主要向下倾斜的轮廓流动这一事实。而空气具有质量这点,对相互作用也至关重要。
title: 简化解释之不足.
content: 产生升力既需要流体向下偏转,又需要与伯努利原理一致的流速变化。上述简化物理解释中给出的任一解释,只用其中一种方式来解释升力,因此只能解释现象的一部分,而未解释剩下的部分。
title: 量化升力.
title: 压力积分.
content: 当机翼表面上的压力分布已知时,确定总升力需要将表面局部元素对压力的贡献累加,每个元素具有其自身的局部压力值。因此,总升力是在垂直于远场流动的方向上在机翼表面上的压力的积分。  formula_1
title: 升力系数.
content: 升力取决于机翼的大小,大致与机翼面积成比例。通过量化"升力系数"给定机翼的升力通常很方便,它定义了机翼单位面积的整体升力。  对于特定迎角的机翼,特定流量条件下产生的升力:  formula_2
title: 升力的数学理论.
content: 升力的数学理论建立在连续流体力学的基础上,该理论假设空气作为连续流体流动。升力的成因是根据物理学的基本原理,其中最相关的有以下三条原理:  因为机翼影响其周围广阔区域的流动,力学守恒定律以偏微分方程的形式体现,并结合一组边界条件,必须满足在机翼表面和远离机翼之条件。  要预测升力,需要通过计算流体动力学(CFD)的方法,求解特定机翼形状和流动条件的方程,这通常需要大量的计算,只有在计算机上才有办法实现。当CFD要决定净空气动力时,会由CFD决定出在所有表面元素的压力及剪切力,并对其导致的力作"压力积分"。  纳维-斯托克斯方程(NS)提供了可能最精确的升力理论,但实际上,在机翼表面边界层,捕捉湍流的影响需要牺牲一定的精度,并且需要使用雷诺平均纳维-斯托克斯方程(RANS)。此外,也发展了其他更简单但不太准确的理论。
title: 三维流程.
content: 围绕三维机翼的流动还涉及其他重要问题,尤其是与翼尖有关的问题。对于低展弦比的机翼,如典型的三角翼,二维理论的模型可能较差,三维流动效应占了主导地位。即使对于高展弦比的机翼,有限翼展的三维效应也会影响整个翼展,而不会只靠近翼尖。

Summary: 升力(英语:Lift)。当流体流经一个物体的表面时会对其产生一个表面力,而则这个力垂直于流体流向的分力即为升力,与之相对的则是平行于流体流向的阻力。如果流体是空气时,它产生的升力便叫做空气动力。航空器要想升到空中,必须能产生能克服自身重力的升力。

Dynamischer Auftrieb: Der dynamische Auftrieb ist in der Strömungsmechanik der Anteil der auf einen umströmten Körper wirkenden Kraft, der senkrecht zur Anströmrichtung steht. Der dynamische Auftrieb ist das physikalische Grundprinzip für das natürliche Fliegen von Vögeln und Fledertieren. Außerdem ist er die Grundlage für die Funktion der Tragflächen von Flugzeugen, der Propeller, der Schiffsschrauben, der Segel, der Turbinen und Auftriebsläufer-Windkraftanlagen. Effekte des dynamischen Auftriebs werden auch zur Steuerung von U-Booten und Luftschiffen genutzt.