癮科學：飛機為什麼會飛（重新來過）

嗄？還有續篇啊。老實說，小薑自已也覺得昨天的那篇寫起來不很滿意，所以又花了一個晚上四處亂逛，想找個比較權威的解釋。最後，似乎還是 NASA 給的解釋最恰當 -- 兩種說法都對，因為現實情況複雜到不是一種解釋能夠講明白的。首先，先重複一次確定是錯的事項：

• 機翼上緣的氣流不會在機翼後端和下緣的氣流匯合，也沒有理由如此。事實上，就像昨天的影片裡看到的，上緣的氣流的流速還大於下緣。
• 機翼不是因為氣流擊中機翼下側而產生升力的（不然戰鬥機就不會把飛彈掛在機翼下了）

於是以下的兩種解釋都對：

• 因為機翼上緣的流速大於下緣，故依照伯努力定律，機翼上緣的壓力較小，下方的壓力較大，這種壓力差會產生升力。
• 因為機翼上緣的形狀，流經上緣的空氣會受到柯恩達效應的影響而向下彎折，這種向下的氣流會產生向下的推力，從而產生升力。

光靠其中一個，都不足以解釋飛機受到的升力，甚至，兩個都算上了，和最後得出來的結果仍然會有誤差。有些翼形的設計利用伯努力定律多一點，有些翼形設計利用下洗氣流多一點。這就是為什麼即使今日電腦這麼發達了，仍然要做實體模型的風洞測試，仍然要找試飛員試飛的緣故。工程師手上握有的方程式，頂多只是一些「理想狀態」的估計值，所以飛機為什麼會飛？恐怕最後真的只能說是「運氣」吧！

這個連結裡有一個「理想狀態」的方程式，稱為 Navier-Stokes 方程式，描述流動中的流體的速率、壓力、溫度、密度、黏度等相互之間的影響。看完這個之後，小薑認真的開始後悔為什麼要挑這個題目來寫...

[RyanSlow @ Mar 24th 2009 12:18AM]

很對不起, 但是最後一句我笑了~~ XD

[Unknown @ Mar 24th 2009 12:22AM]

飛機為何會飛？因為愛...

[pon @ Mar 24th 2009 12:28AM]

那可以解釋一下大黃蜂為什麼飛得起來嗎？
（翅膀面積與蟲體完全不符合流體力學）

[Anthony @ Mar 24th 2009 1:08AM]

有看過蜜蜂飛行的慢鏡頭嗎?
翼片下壓產生升力,再斜著上升"穿過"空氣, 再下壓...通過這種高速運動來飛行的。
記得好像是用後一對翼控制方向...

[nasaway @ Mar 24th 2009 12:42AM]

還有計算流體力學（CFD）可以模擬流場（流體力學重要的三個分支：CFD、實驗和理論）。無人飛機（UAV）就沒有找飛行員來試飛了！

[David @ Mar 24th 2009 1:17AM]

看到最後一句...

你知道的, 這就跟寫論文一樣呀... 原本以為挑了個有發展性的題目, 等你寫到一個程度後, 你就會打死都不想再寫下去了 XD

[Moe @ Mar 24th 2009 2:02AM]

以上的原理都不太能解釋為什麼飛機能倒著飛

這個東西真的很複雜... 不要隨便碰

[EdmundLau @ Mar 24th 2009 6:51AM]

其實是那個壓力差提供最主要向上的力吧

普通的飛機不能倒著飛是有兩個原因

1. 機翼的形狀:就如小薑所說的，機翼的上半部其實比較長，也因為這上方的空氣流得比較快，機翼上方與下方的空氣會產生壓力差，這壓力差是飛機向上的力的最主要來源。所以想像若果把飛機(機翼)反過來的話，壓力差所產生的力便會變成向下的了

2. 機翼一般來說都不是完全水平的，機翼的前方其實都比後方高一點，這樣子能產生比水平的機翼更大向上的力。同上的理由，把飛機反過來的話，向上的力便會變成向下的力，那當然只有掉下來的份囉。

花式飛機是能倒著飛的，因為它機翼的設計是上下對稱的，這樣子原因1便不成問題了，另外，原因2能夠借著調整機身的傾斜度來消除

[ksdtmac @ Mar 24th 2009 8:42AM]

我找了一下資料，但是沒找到合適的
個人認為（民航機是一定辦不到）
特技機以及戰機可以做上下顛倒飛
除了 EdmundLau 提到的以外
還有一點是

沒有人說上下顛倒後一定要水平飛

特技機我是不清楚
但是推重比高的戰機可以辦到
利用正仰角（理論上是遠離地表的仰角）
推力向下
來達到重力與推力的平衡，所以可以倒著飛
看起來就會是機頭方向與飛行方向不一致
駕駛的頭頂也不是正對著地面，而是斜前方的地面

不過講到這裡，你應該也看出，要維持這種姿勢很難
所以就算上下顛倒飛，時間也不會（也不願意）維持太長

如果你手邊有夠真實的模擬飛行遊戲的話你可以試試看
先平飛，再上下顛倒，最後機鼻一定會被往地面帶

確認你的離地高度夠高！！

[Astro @ Mar 24th 2009 1:52AM]

推薦兩本空氣動力學參考書：
[1] Bertin, J. J.; Smith, M. L., Aerodynamics for Engineers (4th ed.), Prentice Hall.
[2] Anderson, John D., Fundamentals of Aerodynamics (4th ed.), McGraw-Hill.

[takoiori @ Mar 24th 2009 1:01PM]

同推Anderson的Fundamentals of Aerodynamics.
飛機如何產生升力是有很堅實的理論基礎的，
關於這方面的討論稱為空氣動力學(Aerodynamics)。
不過相信這裡的朋友們都不是來找幾百頁原文書的罪受的，
所以小弟獻醜一下我的速食罐頭對答，
這是我平常和朋友的對答方法，希望對大家有一點幫助。

第一層：機翼為什麼能產生升力？
因為氣流流經翼面時，下翼面的壓力比上翼面的壓力要大，
所以產生向上的力量。
氣壓在翼面上的分布，必須以"空氣動力學"計算！
(注意行內人都在等你露餡講出"柏努利定律"五字，
柏努利定律不適用於一般性機翼計算，
此處千萬不能冒出五字真言，否則萬劫不復)

第二層：喔？空氣動力學是怎麼說？
空氣動力學中有一套計算升力的簡化理論，叫做"薄翼理論"。
它的結論是：機翼產生的升力 和 機翼與氣流的夾角(行話叫攻角)成正比，
但是和機翼剖面的形狀(稱為翼型，也就是一般說的流線型)無關。
這個理論就解釋了為什麼大家做的紙飛機翅膀雖然是平的，但還是會飛。
它也說明了飛機可以上下倒著飛的理由，因為雖然翼型倒反了，
但是只要機翼和氣流有夾角，還是會產生升力。

第三層：如果是這樣的話，那飛機的機翼就都做成平板就好啦？
如果是這樣的話那就簡單囉，可惜大自然沒有那麼仁慈滴。
薄翼理論有一個很重要的假設是：氣流永遠都貼著機翼表面流動。
當機翼與氣流的夾角過大時，氣流開始亂流，薄翼理論自然就不能用，升力也會消失。
所以所謂翼型的設計，主要的目的就是保證氣流乖乖的貼著機翼表面走。
翼型設計要考慮的重要因素有：飛行速度、需要的升力、機翼的大小等。
現在網路上都有資料庫，也有免費的翼型設計軟體可以使用。

第四層：哇哇！那直升機、火箭、大黃蜂他們又是怎麼飛的啊？？？
這位朋友，看到這裡你還能看得下去，
你真是萬中無一的航太奇才！
我手上剛好有幾本無價的原文書，
我看我就忍痛割愛吧。(誤)
要不要考慮今天就報考航太系啊？

正經魔人下台一鞠躬...

[BoomCAT @ Mar 24th 2009 1:54AM]

所以我說寫火箭吧～
NASA上班的讀者應該少很多的.....

[Alex @ Mar 24th 2009 1:57AM]

怎麼辦... 這2篇我是完全看不明呢...

[ch.sung @ Mar 24th 2009 2:39AM]

夠了, 我們都不懂了, 謝謝, 而且有愈來愈........... @@

[forsony @ Mar 24th 2009 2:43AM]

看到開版圖，XD
小薑!!!!!賠我一組鍵盤!!!!! XD

[Thomas @ Mar 24th 2009 3:15AM]

誰叫你寫飛機..
寫一些不會飛的不是容易多了
例如..肯德基..麥香雞..甚至在賓館叫的雞都容易的多..

[albertpkmn @ Mar 24th 2009 5:53AM]

這不是肯X基 這不是肯X基

[qoolelee @ Mar 24th 2009 10:39AM]

這個好笑+1, Andy下次寫"肯德基為甚麼好吃"好了, 也是很有科學性的.

[john @ Mar 24th 2009 4:43AM]

Andy寫得不錯，繼續繼續

[kaaklo @ Mar 24th 2009 5:34AM]

笑死我了，那張圖哪來的~~~
真是太搞了，忍不住噴了出來