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。