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来源：环球科学一个难以置信的事实是：尽管莱特兄弟在多年前就将飞机开上了天空，但直到今天，人们仍然不清楚，飞机是如何飞起来的。从严格的数学层面上讲，工程师们知道如何设计能在高空飞行的飞机，但数学公式并不能解释气动升力产生的原因。为了解释这个问题，两个理论针锋相对，但两者均无法提供完整的解释。是什么产生了空气动力学中的升力（lift）？各家的看法并没有达成一致。科学家提出了两种不同的理论来解释升力。问题是，这两种非技术性的理论本身并没有错，但两者都没有提出一个可以解释升力各个方面的完整理论。要完美解释空气动力学中的升力似乎是不可能的。要考虑飞机抬升过程中的所有作用力、影响因素和物理条件，而不留下无法解释或未知的问题，这种理论真的存在吗？在美国航空航天局埃姆斯中心流体力学实验室中，科学家用水槽试验测试飞机表面的流场。图片来源：伊恩·艾伦（IanAllen）有缺陷的经典理论到目前为止，对升力最流行的解释是伯努利原理，这是瑞士数学家丹尼尔·伯努利（DanielBernoulli）在年发表的专著《流体动力学》（Hydrodynamica）中提出的一种原理。简单地说，伯努利原理指出：流体的压力会随着速度的增加而减小，反之亦然。飞机的机翼上方有一种特殊的凸起，专业术语称为翼型（airfoil）。因为这种弯曲的存在，与流经机翼平坦下表面的空气相比，流经弯曲上表面的空气速度更快。科学家认为，按伯努利原理，机翼上表面流体速度的增加导致那里的气压降低，以此产生了向上的升力。无论是风洞实验（主要观察由烟气粒子显示出的轨迹流线）、喷管还是文丘里管（Venturitubes，一种真空发生装置）等实验，都给出了海量的经验数据。这些数据有力地证明了伯努利原理的正确性。然而，伯努利原理本身并不能完全解释升力。尽管实际经验表明，在弯曲的表面上空气流动的速度确实更快，但伯努利原理却无法解释为什么会出现流速变快的现象。换句话说，这个定理并没有说明机翼上方的高流速是如何产生的。一个众所周知的演示，在很多网络平台，甚至一些教科书中都曾反复出现过，它宣称可以“展示”伯努利原理。在这个演示中，实验人员会将一张纸水平地放在嘴前，并用气吹动它上表面，此时，纸面会上升。人们以此说明确实存在伯努利效应。可是，当你吹纸的下表面时，纸面还是会上升。按理说，纸张会应该出现相反的结果，因为纸张下部的气流应该把纸往下拉。霍尔格·巴宾斯基（HolgerBabinsky）是英国剑桥大学空气动力学教授，他指出：一侧的气流会让弯曲纸面升起，“这并不是因为空气在纸面两侧的流速不同”。为了说明这一点，你可以吹一张平直的纸张来验证这一切。例如，吹一张垂直悬吊的纸张，看它是不是既不向一侧移动也不向另一侧移动。毕竟“尽管气流速度明显存在差异，但是纸张两侧的压力却是一样的”。伯努利原理的第二个缺点是，它并没有说明机翼上部高速流动的空气为什么会形成更低的压力，而不是更高的压力。毕竟，当机翼向上移动时，空气理应被压缩，机翼顶部的压力应该会增加。在日常生活中，这种“瓶颈现象”通常会让事情变慢，而不是加速。例如，在高速公路上，当两条或多条车道合二为一时，道路上的车辆不会开得更快，而是会出现车流减速的现象，甚至可能发生交通堵塞。在机翼上表面流动的空气分子却不是这样的，但是伯努利原理却并没有说明白为什么会形成这种现象。第三个问题特别关键，可以证明伯努利原理对升力的解释是不对的：一架具有弯曲上表面的飞机翻过身来也能飞行。这种情况下，弯曲的机翼表面变成了底面。根据伯努利原理，机翼的下表面的压力会降低，当这个低压环境结合重力作用，应该会产生一个向下拉动飞机的效果，而不是支撑它继续飞行。但是，无论是具有对称翼型的飞机（其顶部和底部的曲率相当），还是上表面和下表面均为平坦翼型的飞机，只要机翼遇到迎面而来的风，并且配合适当的迎角，都能翻过来飞行。这意味着，伯努利原理本身并不足以解释升力产生的原因。用伯努利原理解释机翼升力的缺陷除了用伯努利的理论来解释升力外，科学家还试图用另一种理论来解释这种力的来源：牛顿的作用力和反作用力原理。根据这个定律，当机翼向下推空气，有质量的空气会产生一个大小相等、方向相反的向上推力，也就是升力。因此，理论认为机翼是通过推动空气使飞机产生升力的。这个理论适用于任何形状的翅膀，弯曲的或平坦的，对称的或不对称的。同时，这个理论也适用于正常飞行，或者翻过来飞行的飞机。因此，牛顿第三定律对升力的解释比伯努利原理更全面，也能应对更多情况。但就理论本身而言，作用力和反作用力并不能解释机翼顶部的低压区，而这一区域的存在也与机翼是否弯曲无关了。只有当飞机着陆停止飞行后，机翼上方的低压区才会消失，使顶部和底部变得一样，恢复到周围的气压。但是，只要飞机在飞行，低压区就是空气动力学无法忽视的因素，必须加以解释，才能说明飞机为什么能飞起来。因此，无论是伯努利原理还是牛顿第三定律，从各自的角度出发，它们都是正确的，两者并不相互矛盾。然而，问题在于，任何一个理论都无法完整地解释升力，两者结合起来也不行，因为两者都遗漏了一些东西。理论发展史要知道，伯努利和牛顿都没有想过用自己的理论可以解释飞机的升力。他们各自生活的时代距离飞行时代还有很长一段时间。当莱特兄弟成功将飞机飞上天后，同时代的科学家迫切地需要理解空气动力学中的升力，解释飞行背后的秘密，这两种理论才因此被重新发现和套用。20世纪初期，有几位英国科学家推进了升力的技术和相关的数学理论。他们认为，空气是一种完美的流体，这意味着它不可压缩，粘度为零。虽然这与空气的实际特性有区别，但对需要理解和控制机械设备飞行的科学家而言，做出这样的假设也是可以理解的，因为这会使数学计算变得更简单、更直接。但这种简化也需要付出相应的代价：在理想的不可压缩气体中，无论算出的翼型在数学上多么成功，实际应用时都会表现出各种缺陷。阿尔伯特·爱因斯坦（AlbertEinstein）也曾致力于研究升力问题。年，爱因斯坦给出了一个基于不可压缩和无摩擦流体（也就是理想流体假设）的解释。虽然没有提到伯努利的名字，但他给出了一个与伯努利原理基本一致的解释。他说，流体压力在速度较慢的地方更大，反之亦然。为了利用这些压力差，爱因斯坦提出了一种机翼顶部略带隆起的设计，这样的形状可以增加隆起部位的气流速度，从而降低那里的压力。爱因斯坦或许认为，基于理想流体的分析同样适用于现实世界的流体。年，在理论的基础上，爱因斯坦设计了一种被称为猫背翼（cat‘s-backwing，因为它的形态类似于正在伸懒腰的猫）的翼型。随后，他把设计方案带给柏林的飞机制造商LVG。这家公司围绕设计方案制造了一架新的飞行器。但试飞员却报告说，这架飞机在空中摇摆不定，就像“一只怀孕的鸭子”。年，爱因斯坦表示，当初短暂涉及航空业的行为更像是“年轻人的愚蠢行为”。完备的升力理论？如今，设计飞机的科学方法是利用计算流体动力学（

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