癮科學：飛機為什麼會飛？

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癮科學：飛機為什麼會飛？

由 Andy Yang 於 10 months 之前發表

文章分類: 特輯專欄

「這個我知道！高中有學過嘛，就是因為機翼的形狀的關系，氣流從上面流過必須要走比從下面流過長的距離，但最後上下氣流又必須在機翼後緣匯合，因此機翼上側的氣流勢必要比較快。依照伯努力定律，流速快的流體氣壓低，所以機翼上方就會產生一個底低壓區，將飛機整個向上拉！這就是飛機會飛的原理囉～」

或至少，高中是這麼學的。如果真的是這樣的話，小薑就不用費事特地寫一篇癮科學囉 XD。仔細的想一想，就會發現一些疑點。舉例來說，為什麼機翼要做成前面厚，後面薄的形狀？如果真的只要上面流過的的路徑長就有升力的話，那中間厚，前後薄應該也能飛啊？後面厚也可以啊？為什麼一定要前面厚？而且，如果真的是這樣的話，飛機只要在跑道上一直加速，就會自動飛起來了，為什麼要在最後有拉高機頭「起飛」的動作？還有，為什麼伸出去的襟翼（起飛降落時從機翼上伸出去的那幾片額外的翼面）是漸次往下傾斜的？依照上面的原理，伸出去的襟翼是平的就好了啊？

顯然的，一定哪裡有問題...

p.s. 也請參考「飛機為什麼會飛（重新來過）」

上面這個影片，直接就讓傳統解釋當中最主要的一個論點 -- 機翼上下的氣流會匯合 -- 這點垮台了。機翼上下的氣流根本就是照著各自的流速在流，沒有匯合的問題。

所以對於飛機真正會飛的原因，目前的解釋傾向於這樣，只有兩個部份：

流體傾向於貼著表面流動 -- 這稱為柯恩達效應（Coandă effect，亦稱康達效應或附壁效應），簡單來說，當流體流過彎曲的表面時（想像水從湯匙的下方流過），表面上上微小的阻力，會導致流體的速度變慢，讓流體順著彎曲的表面流動。
上翼面前高後低 -- 這點，再加上上述的柯恩達效應，會導致氣流離開上翼面時，角度是略為向下的（稱為下洗，Downwash）。就是這一點點的向下推力，讓飛機飛起來的。簡單吧？

延伸來說，向下推力的多寡，取決於飛機機翼的「攻角」，或是機翼和氣流之間的角度。上面的影片也有示範攻角增加時的效果，雖然攻角增加時下洗氣流的強度有所增加，但流過上側的氣流會打到流過下側的氣流，在機翼後面形成亂流。如果攻角高到某個程度後，就會發生所謂的「氣流剝離」，即柯恩達效應的消失 -- 氣流不再貼著機翼上側流過，下流氣流喪失，飛機也就飛不起來了。這種現象，稱為「失速」。

所以襟翼的功能就很容易理解了。它是在不使氣流剝離的前提下，增加下洗氣流的角度，增加升力。因此襟翼才會是向下傾斜的囉！

等等，所以說高中課本提的那一套完全是錯的嗎？其實也不盡然。回想一下影片裡，從機翼上方流過的氣流不僅走的距離比下面遠，而且還比下方流過的氣流更早到達機翼後端。這意思是說，不僅上方流過的氣流比下方流快，而且比傳統的看法還要更快。這無疑的會對機翼產生一定量的升力，但究竟有多少，還有待商確。只能說，這真是門複雜的學問阿...

搞到最後，根本還是不知道為什麼飛機會飛嘛！事實上確實是如此。飛機的各個部份的形狀都有可能影響升力不僅是機翼，機身的形狀也會有影響。此外，機翼的形狀也會在不同的速度下有不同的反應，例如三角翼適合超音速飛行（因為機翼整個在錐狀聲波面裡），後掠翼適合高次音速巡航，特技飛機則是方形的一片比較穩定，這也不是光用側截面圖就能說明的。唯一能安全地確定飛機表現的方式，就只有靠經驗、風洞測試和電腦模擬了。即使是今天，我們對翼尖氣流仍然還是不那麼了解呢！

如果大家有興趣的話，可以去 NASA 的 Glenn Research Center 網站，裡頭有個很簡單的機翼模擬 Applet FoilSim，讓你可以設定一些數據，看看能提供多少升力。英文 OK 的人，可以試試這個進階版，裡頭有更多的設定喔！下面是簡單版的簡單說明：

Speed-mph：時速，單位是英哩／小時。速度愈快，升力愈大。
Altitude-ft：高度，單位是英呎。高度愈高，空氣愈稀薄，升力愈小。
Angle-deg：機翼的攻角。攻角增加時，升力會先漸漸增加，直到氣流分離時，升力會驟降。
Camber-%c：機翼的「拱起」度。看起來，似乎是拱起度愈高，升力愈大。
Thick-%crd：機翼的厚度和長度之間的比例。機翼愈厚，升力愈大（但影響似乎很小）。
Area-sq ft：機翼面積，單位是平方呎。面積愈大，升力愈大。

當然，這裡只是單純講「升力」。和升力相對的是，升力愈大，阻力也會愈大，所以機翼設計時通常不會以高升力為第一考量。

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