孫嘉鴻

自從1882年，俄國的海軍軍官莫查依斯基發(fā)明了世界上第一架飛機(jī)以來，到現(xiàn)在已70多年了。在這一段時間內(nèi)，世界航空科學(xué)有了長足的進(jìn)步，各種各樣的飛機(jī)型式層出不窮。如軍事上用的遠(yuǎn)程戰(zhàn)略轟炸機(jī)，超音速殲擊機(jī)，民航中用的巨型旅客機(jī)，它們所能達(dá)到的飛行速度，飛行高度和續(xù)航時間越來越驚人了，也越來越吸引著青年們?nèi)ヌ角蠛娇湛茖W(xué)的奧秘，掌握通向宇宙飛行的秘密。

無論是哪一種飛機(jī)，它之所以能在天上飛行都是基于同一個原理的，也就是它們是依靠“空氣動力”而在天上飛行的。這與氣球、氣艇之在空中飛行的原理不一樣，后者是基于阿基米得原理，借空氣的“靜力”，即浮力而維持在空中不掉下來的。為了更好地說明飛行原理，我們先來談?wù)動嘘P(guān)空氣動力學(xué)的幾個基本定理。

(一)空氣流動時的氣流“流場”與“射流”

從物理學(xué)中我們知道空氣的物理性質(zhì)可以下列參數(shù)來說明它的特征即：壓力P(單位是公斤/公尺2)，絕對溫度T(T=273°＋t°C)，和密度ρ(單位是)。如果空氣處于運(yùn)動狀態(tài)則尚需增加一項速度V(單位是公尺/秒)。如圖1所示，在一任意的氣流“流場”中，在點(diǎn)A，Б，B，Г等地方，讓我們來觀察氣流的流動情況，在一段時間內(nèi)可以看到有新的氣體分子不斷的在“流場”中通過。此時可以有二種情況。在第一種情況中，氣體的參數(shù)(P，T，ρ和V)在此段時間的每一瞬間并不變化。這就是說如果觀察者位于A點(diǎn)，那么流過它的不同的新的氣體分子具有同樣的速度VA，壓力PA溫度TA，密度ρA。在點(diǎn)Б處氣體分子具有同樣的速度VБ，(不等于VA)……等等。此時氣體的參數(shù)于所觀察的時間內(nèi)，在每一點(diǎn)中保持不變，但在不同的點(diǎn)處則它們是彼此各不相同的。我們稱這樣的氣流運(yùn)動為穩(wěn)定流動。如果氣體參數(shù)于所觀察的時間內(nèi)在某一點(diǎn)上是變化的，那么我們稱之為不穩(wěn)定流動。在自然界中，我們所遇到的氣流流動經(jīng)常是不穩(wěn)定的流動。研究這種流動是很困難的。因之為了簡化起見，我們研究的氣流流動都是穩(wěn)定的流動，這樣大大地使我們的研究簡單化，同時又有相當(dāng)精確的實(shí)用效果。在研究空氣動力學(xué)時，對我們較為方便的是去觀察整個流場中的“一股”氣流即“射流”的運(yùn)動情況。如在一穩(wěn)定的流場中(見圖1)，劃出一封閉的周線S，通過S上流過的空氣分子，形成一根根“流線”。這些流線所圍成的管子叫做“流管”。這種從給定的流場中所分割出來的流管即稱為“射流”。氣體分子只能沿著射流而流動，不能從流管的橫表面(管壁)中流進(jìn)或流出。

圖1.空氣流動時的流場與射流，圖中所示為空氣流過一機(jī)翼剖面時的情況。

(二)連續(xù)方程式——射流中流體(液體或氣體)的速度與管道截面面積的關(guān)系。

物質(zhì)守恒定律乃是自然界中的基本定理之一。它告訴我們，在自然界中的物質(zhì)本身永遠(yuǎn)不會增加或消失。連續(xù)方程式乃是物質(zhì)守恒定律對氣體或流體射流的一種應(yīng)用。

觀察一理想氣體在射流中的穩(wěn)定流動情況，如圖2所示。在射流中取二個橫截面I－I與Ⅱ－Ⅱ。設(shè)：

F1－截面I－I處的橫截面積，單位以公尺2表示。

V1-氣流流過F1截面時速度，單位以公尺/秒表示。

ρ1－在截面I－I處的空氣密度，單位以表示。

m1－單位時間內(nèi)流過截面I－I處的流體質(zhì)量，單位以表示。

圖2連續(xù)方程式的運(yùn)用

F2，V2，ρ2，m2同上面一樣分別表示截面Ⅱ－Ⅱ處的面積，氣流流速，空氣密度，與單位時間內(nèi)流過截面Ⅱ－Ⅱ處的空氣質(zhì)量。

則連續(xù)方程式可寫成m1=m2=……=常數(shù)，或可寫為ρ1V1F1=ρ2V2F2=……=常數(shù)

若上述流體是不可壓縮的，即ρ1=ρ2=……=常數(shù)，則式中密度可消去，上式變成V1F1=V2F2=……=常數(shù)(1)

由(1)式可看出，流體以穩(wěn)定的速度在管道中流動時，流速的快慢和截面面積的大小成反比，凡是管道截面面積F大的地方，流速V一定小，面積小的地方，流速一定大。這一結(jié)論可在日常生活中找到很多例子。例如河道狹小處，流速快，寬廣處，流速慢；庭院中風(fēng)小，過道中風(fēng)大(所謂穿堂風(fēng))；噴嘴很細(xì)的水龍頭可以獲得很大的噴速等等。

(三)伯努利定理——流體的流速與其靜壓力之間的關(guān)系。

另一個自然界中的基本定律之一乃是能量守恒定律。它告訴我們能量本身不會自行增長或消失，它只可能從一種形式轉(zhuǎn)變到另一種形式。伯努利定理實(shí)質(zhì)上就是能量守恒定律對空氣或流體射流的一種應(yīng)用。它是由俄國彼德堡科學(xué)院院士伯努利于1838年首先發(fā)現(xiàn)并確定的。它是這樣說的：在一以穩(wěn)定的速度流動著的流體中，假若流體是不可壓縮的，而且能量沒有增減，則沿一流線上各點(diǎn)流體的動壓力和靜壓力的總和恒為一常數(shù)。寫成方程式便是：=常數(shù)?；?常數(shù)(2)

式中P為靜壓力[公斤/公尺2]，ρ為密度，V為流速[公尺/秒]。1、2代表各不同的點(diǎn)，如圖3所示。1/2ρv2[公斤/公尺2]一項稱為動壓力。所謂動壓力即是由流速產(chǎn)生的附加壓力。具體的例子是救火員水龍頭中噴射出來的水柱的壓力，當(dāng)這水柱沖到人的身上時，人便會感到巨大力量的沖擊。由(2)式可以很容易的看出流體靜壓力p與流速V之間的消長關(guān)系。當(dāng)V增大時p減??；反之V減小時，p增大，自然界中有很多事實(shí)可以說明這一定理。當(dāng)空氣氣流流過傾斜的屋頂時(如圖4所示)，氣流在頂部受到收縮(流過的截面面積狹小)，于是根據(jù)連續(xù)方程式，流速增加，壓力減小。而在屋頂下面作用著與遠(yuǎn)處氣流相同的正常大氣壓力ρ0。于是在刮大風(fēng)時，由于內(nèi)外壓力相差懸殊，便會將屋頂上的鐵皮吹跑。又如在并行的兩條船中有水流過時，兩船之間流速大，靜壓力??；兩船外邊流速小，靜壓力大，所以便會將船壓攏，(如圖5所示)。另外我們也可做一個簡單的實(shí)驗。如果我們拿二張薄紙，使其相互間平行的靠得較攏，用嘴使勁在夾縫中吹氣，就可發(fā)現(xiàn)二張紙頭不但不被吹開，反而相互接近起來。

(四)空氣動力學(xué)中的可逆性原理

設(shè)某一物體在靜止的空氣中以一穩(wěn)定的速度V運(yùn)動，此時空氣對物體產(chǎn)生一阻力R，此力作用在物體上(如圖6a)所示)。阻力的大小由物體與空氣間的相對速度V而決定。如果我們將物體固定住不動，而設(shè)法使空氣以同一速度V流過物體，那么我們可以用實(shí)驗的方法證明：作用在物體上的阻力R和上述情況中所得到的是完全一樣的?？諝鈩恿W(xué)中的可逆性原理告訴我們的就是這樣：物體(例如飛機(jī))與流體(例如空氣)作相對運(yùn)動時，在物體上所產(chǎn)生的力隨二者相對速度的變化而變化。應(yīng)用這個原理，我們就可以在實(shí)驗室里在風(fēng)洞中(一種進(jìn)行空氣動力實(shí)驗的特殊設(shè)備)利用人造風(fēng)吹過飛機(jī)模型來研究它上面所產(chǎn)生的空氣動力。為了方便，我們說明問題時都假定物體(例如飛機(jī))是不動的，而空氣則是運(yùn)動的，它以速度V向物體迎面吹來。

在明白了上面所講的幾個基本定理后，我們就可以來解釋飛機(jī)為什么會飛了。(未完待續(xù))