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癮科學:飛機為什麼會飛?

Andy Yang
2009 年 3 月 23 日, 下午 02:00
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「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:
  1. 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。
  2. 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。