流體壓強與飛機升力新認識

計示壓強有負值嗎

物理是一門以實驗為基礎科學，是教材中一門邏輯性很強的學科，教材中知識要嚴謹，不能有瑕疵，不能誤導學生。初中物理八年級下冊第九章《壓強》第四節《流體壓強與流速關係》中，對飛機升力的敘述諸多有問題。本文結合對初中物理教材的評析，利用實驗對流體壓強規律和飛機機翼升力重新認識，釐清有關飛機升力原理認識上的混亂。

1、絕對壓強差和相對壓強差的不同

生活中常見的伯努利原理的應用都是氣流在物體的單側流動，而飛機是在空氣中飛行，相對地把氣流看作是在機翼的上下表面同時流動，所以它們產生的效果是有區別的。

（1）、常見的伯努利現象與飛機飛行的所處狀態不同

本節中剛開始做吹硬幣、吹紙兩個實驗，得出在“氣體和液體中，流速越大的位置，壓強越小”的結論。

然後引出飛機升力的產生在於飛機的機翼，“上凸下平”的機翼上表面流速快，壓強小，機翼下表面流速小，壓強大，從而產生的壓力差，這個壓力差就是升力的產生的原因。

但吹硬幣、吹紙等例子中的硬幣、紙等（左下圖），與飛機機翼在空氣中滑行時所處的狀態是不同的。它們都是物體一側空氣流動，氣壓減小，另一側空氣靜止，氣壓不變，所以是絕對壓力差，是可以利用伯努利原理的。

飛機飛行時，在沒有風的情況下，空氣是靜止的，飛機是運動的。此時空氣並不是真的順著機翼的上下表面流動，而是相對地把空氣看作是順著機翼上下表面流動的，並且是同時流動的（右上圖），只是流速有些差別，從而導致機翼上下表面的流體壓強有所不同，這是相對壓力差。

（2）、絕對壓力差與相對壓力差大小不同

像吹紙和吹硬幣都是物體單側空氣流動，物體一側壓強不變，另一側壓強減小，當然能產生強大的壓力差令硬幣彈起來。如果氣流在物體兩側同時流動的話，物體兩側壓強都會減小，那麼兩側的壓力差就不顯著了。

我們可以透過一個實驗來證明相對壓力差比絕對壓力差小得多，我們做個“上凸下平”的機翼模型放在桌子上，一吹機翼模型就跳起來了（左下圖），這就是絕對壓力差的應用。

如果把機翼模型用支架墊起來，機翼模型下方留有空隙（右上圖），你對它吹氣，這時氣流從機翼模型的上下表面同時流過，雖然機翼表面上凸下平，但上下表面的空氣流速相差不大，壓強相差也不大，壓力差很小，它就很難向上彈起來了，此時機翼模型所受到的就是相對壓力差。

透過實驗可見“相對壓力差”比“絕對壓力差”小多了。

2、空氣流動方向的不同

飛機在靜止的空氣中飛行時，由於空氣並不流動，所以真實情況不會出現左下圖那樣空氣順著機翼上下表面向後流動的現象，而是機翼與空氣相對運動看作是空氣流過機翼表面，這與伯努利原理中氣流順著物體表面流動的真相不符。

飛機在靜止的空氣中飛行時，機翼所過之處空氣也是流動的，但不是順著機翼表面流動，而是在有迎角的機翼（中上圖）或機翼表面中有掠角和迎角的斜面（右上圖）的作用下，流向前下方或前上方，流動方向都是垂直或近似垂直於機翼表面的。

3、機翼模型實驗方式脫離現實

就算空氣是流動的，可以用伯努利原理解釋機翼升力，教材的實驗方式也有問題。我們看這個吹機翼模型的實驗，這個上凸下平的機翼模型當前細線MN拉平繃緊的時候（左下圖），大家想想機翼模型是什麼狀態？應該在重力作用下下垂吧（右下圖）。

這就是與飛機的實際飛行有些差距了（左下圖）。實際中機翼是水平安裝的，機翼表面不是下垂的，空氣流動方向與左上圖相似。物理是一門以實驗為基礎的科學，雖然我們這個模型製作的很好，但實驗中模擬的情況與飛機實際飛行狀態相差較大時，實驗就失去意義了。

要想探索飛機機翼的升力原理，就不能用線吊起來吹，而要模擬它的真實飛行狀態，像右上圖那樣把機翼模型放置在桌子上，兩邊用支架墊起來，然後向機翼模型前頭的MN處吹氣，讓空氣流過機翼模型的上下表面，觀察機翼的是否產生升力。

4、流速增大的無限與壓強減小的有限

本節中藉助機翼模型吹氣實驗後，以“上凸下平”的典型翼型進行機翼升力總結。文中說道，飛機前進時，與周圍空氣發生相對運動，相當於氣流迎面流過機翼上下表面，由於機翼上表面彎曲較長，所以機翼上方氣流速度快，根據本節前面實驗中得到的流體壓強結論 “在氣體和液體中，流速越大的位置，壓強越小”可知機翼上表面的壓強小；機翼下表面速度小些，對機翼下表面壓強較大。這樣機翼上下表面就存在著壓強差，從而產生壓力差，機翼下表面壓力大於上表面壓力，故產生了向上的升力。

但這種空氣流過機翼上下表面造成的壓力差解釋升力存在侷限，主要有兩點，一是前面說過的這是相對壓強差，雖然機翼表面上凸下平，但相差不是很大（以本節中的實驗模型為例，機翼上下表面的長度比是10:9），那麼機翼上下表面的空氣同時流過時，速度也相差也不大，壓強相差當然就不是太大了，所以獲取的壓力差升力是很小的，特別是在低速時，所以它難以勝任飛機對升力的需求。

第二個問題就是本節對機翼升力產生的敘述中對速度與壓強的關係沒有考慮周全。根據本節前面實驗中得到的流體壓強結論，“在氣體和液體中，流速越大的位置，壓強越小”，但有個問題需要考慮，就是氣流速度可以無限增加下去，而壓強不能無限減小下去，只能小到0 。那麼在飛機飛行中，空氣流過機翼的速度越快，對機翼表面的壓強越小。由於氣流同時流過機翼的上下表面，隨著氣流速度的加快，機翼的上下表面的壓強也越來越小，那麼它們之間的壓力差也越來越小，當機翼下表面的氣流速度達到很高速度時，可能氣流對機翼下表面的壓強為0了。由於機翼上表面的速度要稍高於機翼下表面，由於壓強不能為負數，所以機翼上表面的壓強早就為0了，這就是說此時機翼上下表面的壓強差為0，那麼壓力差也為0，沒有升力產生了。

以這種理解方式解釋機翼升力原理就會出現空氣流速越快，飛機的升力越小這種謬論，這就和飛機飛行實際相矛盾了，因現實中飛行速度越快，升力越大，所以本節中對機翼升力的理解方式有漏洞，不嚴謹。

5、翼型不是升力的主要原因

無論是本節教材中所列舉的機翼模型還是網上科普中有關升力知識的機翼，都 是以“上凸下平”的典型機翼結構講解的（左下圖），升力的解釋也從這種“上凸下平”的典型機翼入手，認為是這種結構產生了升力。可實際上並不是這麼回事，我們可以透過實驗來看看。

我們先做個吹紙實驗（右上圖）。如果吹氣位置在紙的上面，也就是吹紙的上表面（左下圖），下垂的紙會在氣流的作用下向上翹起，紙的上表面流速大，壓強小，下表面空氣不流動，所以紙的下表面壓力大於上表面壓力，形成了向上的升力。

如果吹氣位置在紙的下面（右上圖），也就是吹紙的下表面，下垂的紙也會在氣流的作用下向上翹起，實際上在實驗中比吹紙的上表面更容易，氣流速度也不用那麼猛烈就能把紙吹平了。吹紙的上表面利用伯努利原理容易理解，吹紙的下表面就不能用伯努利原理容易理解了，而是用“氣體或液體流速越大，對流向正面的壓強越大”這種規律來解釋紙的下表面壓強增加，紙的上表面壓強不變，從而形成壓力差使紙向上翹起。

那如果吹的氣流同時經過紙的上下表面（左下圖），下垂的紙也會在氣流的作用下向上翹起，這時兩種原理都應用了，紙受到的升力更大。

這三個實驗中的紙沒有什麼特殊形狀，上下表面是對稱的，但有不同位置的氣流下都能向上翹起。同樣吹本節中的機翼模型，下垂的機翼模型也會隨風飄起（如右上圖），機翼模型的上下表面是非對稱的，實驗結果與吹紙幾乎沒什麼兩樣，這說明升力與翼型關係不大。實際上大部分機翼翼型都不是“上凸下平”的，而是像下圖這些多種多樣的形狀。本節書只舉“上凸下平”翼型有以偏概全的嫌疑，這會讓繼續深造的學生將來產生很大的疑惑。

當然特定翼型能很好的幫助升力的產生，更好地減小阻力，但絕不是升力的主要原因。

6、流體壓強的重新定義與升力的新認識

從吹紙的上下表面實驗中我們得出了流體壓強有兩個規律，這就是“在氣體和液體中，流速越大，對流向側面的壓強越小①，對流向正面的壓強越大②”。簡單說就是流向側面壓強小，流向正面壓強大。

在吹紙下表面的實驗中我們能領悟到，斜面能產生升力，紙吹到翹起展平後便沒有升力不再上升了（左下圖），是因為沒有斜面了。所以，我們要讓機翼以一定迎角飛行或在機翼表面上設計有一定迎角的斜面部分（右下圖）。

當氣流同時流過有迎角的機翼上下表面時，那麼此時機翼上表面受到伯努利原理的影響，空氣流速快，壓強減小，比周圍正常的壓強低；機翼下表面受到高速氣流的衝擊，在氣流動壓和牛頓力的作用下，壓強增加，比周圍正常的壓強高。機翼上下表面壓強的一增一減，形成了較大的壓強差，從而產生了垂直於機翼表面的壓力差，與飛機推力合成了向上的升力。

當機翼的迎角變小到水平位置時，就沒有氣流衝擊機翼表面了，機翼上下表面都是氣流的側面了，“在氣體和液體中，流速越大，對流向側面的壓強越小”，由於機翼上下表面氣流速度也相差不大，壓強相差也不大，所以向上的壓力差也不大，升力也就很小甚至消失了。

以上說明了機翼迎角的重要性：有迎角時，機翼上表面和下表面應用的流體壓強原理不一樣，無迎角時，機翼上下表面都是利用同一種流體壓強原理了，當然就沒有升力了。

實際上我們在吹“上凸下平”的機翼模型實驗時（左下圖），空氣從水平放置的機翼模型上下表面同時流過，此時不僅機翼難以彈升起來，機翼前頭還有下沉的現象（右下圖）。

這是因為機翼前頭的上凸面前有一小段斜面有後掠角，後掠角與機翼迎角作用正好相反，產生向下的壓力，所以機翼前頭才有下沉的現象。

流體壓強與升力總結：

在氣體和液體中，流速越大，對流向側面的壓強越小，對流向正面的壓強越大。飛機升力的產生與機翼以一定迎角（或機翼表面的迎角斜面部分）飛行有關。飛機飛行時，有一定迎角的機翼上表面在空氣流向的側面，壓強變小；機翼下表面在空氣流向的正面，壓強變大，從而形成較大的壓強差，產生的垂直於機翼表面的壓力差與飛機推力形成了向上的升力。

航空科學理論的話語權掌握在外國人手裡，我們對其理論深信不疑，形成了拿來主義。但泊來品不都是貨真價實，也有華而不實的，我們不要剜筐就是菜，要敢於打破外國神話，批判的繼承。