《知識》關於飛機升力的解釋 (白努力定律、牛頓第三運動定律及康達效應)

為什麼飛機能夠飛起來?我們都知道是因為機翼可以產生升力。那為什麼機翼可以產生升力?其實到目前都沒有統一的說法。關於飛機升力,常聽到的理論有:
  • 白努力定律
  • 牛頓第三運動定律
  • 康達效應
本文就要來說明,上述理論對於飛機升力的解釋,以及一些有爭議的地方。

白努力定律:流體速度越大,產生的壓力越小。
透過白努力定律解釋,因為空氣流過機翼上方的速度比機翼下方更快,造成機翼上方壓力較低,下方壓力較高。這個壓力差,產生了飛機升力。

白努力定律有各種實驗證據的支持,包括風洞測試、噴嘴和文氏管實驗等;然而,用於解釋飛機升力,最大的爭議點在於,雖然空氣流過機翼上方的速度較快是事實,但白努力定律仍無法說明:「為什麼機翼上方的空氣流速較快?」

為什麼機翼上方的空氣流速較快,有一種解釋是,機翼的設計從橫切面看來,上半部為弧形,下半部為平面。根據「流經時間相等」理論:在機翼前緣切開的兩團空氣,必定在機翼後緣再度會合。因為機翼上半部為弧形(路徑較遠),下半部為平面(路徑較短),如果空氣可以在同一時間於機翼後緣再度會合,那代表機翼上方的空氣流速較快;不過經實驗證實機翼上方的空氣其實更早抵達機翼後緣,所以這個理論說不通。

而且有些飛機的機翼橫切面,表面弧度是相同的,只要以適當的攻角迎向風,飛機同樣能起飛。這種說法也被美國國家航空暨太空總署NASA證實,根據NASA實驗,一個上下表面弧度相同的機翼仍然可以產生足夠的升力。

另一個爭議點為,白努力定律是針對同一道流體的不同位置,根據能量守恆推導而來。因此相互比較的速度與壓力,必須在同一道流體。而機翼已經將空氣切成上下層氣流,已經不算同一道流體,故違反了白努力的限制條件。


牛頓第三運動定律:作用力與反作用力
另一個用來解釋飛機升力的是牛頓第三運動定律,也就是作用力與反作用力。這項理論指出,機翼把空氣向下壓時,可產生大小相等、方向相反的反作用力,也就是升力。牛頓第三運動定律的解釋,可適用於各種形狀的機翼,無論是弧面或平面,也無關是正飛或倒飛。

用牛頓第三運動定律來解釋飛機引擎產生推力,讓飛機前進很好理解。不過針對產生飛機升力時,牛頓第三運動定律無法解釋:「為什麼機翼可以把空氣向下壓?」


康達效應:流體會貼著物體表面前進
康達效應可以解釋為什麼機翼能把空氣向下壓。根據康達效應,當空氣(流體)通過機翼時,空氣會貼著機翼表面流動並於機翼後緣產生一個向下推力。根據牛頓第三運動定律,這個向下推力所產生的反作用力,則成為拉起機翼上升的動力來源。向下推力的強度,取決於飛機機翼的攻角(機翼面和氣流之間的夾角),攻角越大,向下推力就越強。飛機起降時放出襟翼,就是為了增加向下推力,在慢速飛行時提高升力。康達效應消失也是飛機失速的主要原因。