高觀點下看飛機的“升力”

封英 侯恕

1教材關于飛機升力的解釋

關于飛機的升力，人教版八年級下冊物理教材中《流體壓強與流速的關系》一節借助教材中45頁的圖9.4-4，如圖1所示，解釋到機翼橫截面的大致形狀是其上表面彎曲，下表面比較平.因此飛機前進時，機翼與周圍的空氣發生相對運動，相當于氣流迎面流過機翼.氣流被分成上、下兩部分，由于機翼橫截面的形狀上、下不對稱，在相同時間內，機翼上方氣流通過的路程較長，因而速度較大，它對機翼上表面的壓強較小;下方氣流通過的路程較短，速度較小，它對機翼下表面的壓強較大.這樣，機翼上、下表面就存在壓強差，因而有壓力差，這就是產生升力的原因.

2對飛機升力解釋的質疑

上述解釋雖然簡單易懂，但實際上卻很不嚴謹.

首先，相信很多人都看過飛行表演，其中就有飛機顛倒過來飛行的表演，利用上述原理，此時飛機整體上不但不能獲得升力，還將受到一個向下的力，那此時飛機的升力應該怎么解釋呢？

其次，上述原理強調了機翼上、下方氣流在相同的時間內流過機翼，因此得到機翼上方氣流通過的路程較長，因而速度較大;下方氣流通過的路程較短，因而速度較小.然而通過查閱資料，可以知道機翼上方氣流比下方氣流先到機翼尾部，所以上、下方氣流到機翼尾部的時間是不等的.

3高觀點下分析飛機的升力

由伯努利方程P+12ρv2+ρgh=常數，可以看出，對于同一流線上的兩點，流速越大，壓強越小;流速越小，壓強越大.

從相對空氣靜止的參考系看來，由于物體的運動而造成的空氣的流動是非定常流動，對于非定常流動的流體是不能應用伯努利方程的.但從跟隨物體一起運動的參考系看來（近似認為是慣性系），空氣的運動可以看成是定常流動（定常流動指的是流體在不同時刻流經同一點的流速相同），則可以應用伯努利方程.

設飛機自右向左運動，在相對機翼靜止的參考系里，氣流是自左向右的定常流動，起初的流動如圖2所示，機翼的上、下氣流速度幾乎相等，隨后，由于機翼形狀的不對稱和流體黏性的影響，下方氣流速度超過上方，于是在機翼尾部兩股氣流匯合處形成逆時針的渦流，如圖3所示，此渦流脫離機翼而向下漂移，對機翼不起作用，由于角動量守恒，機翼周圍就形成一個順時針方向的環流，如圖4所示，此環流疊加在原氣流上，使機翼上方的氣流速度增大，下方的氣流速度減小，最后機翼周圍形成如圖5所示的定常氣流，此氣流在機翼上方的流速大于下方的流速.

綜上所述，因為飛機飛行時機翼的厚度遠遠小于飛機與地面間的距離，因此機翼上、下方距離地面的高度h近似相等，可認為上下方在一條流線上，由伯努利方程P+12ρv2+ρgh=常數，可知對于同一流線上的兩點，流速越大，壓強越小;流速越小，壓強越大.因此下方的壓強將大于上方壓強，從而形成了向上的合力，即機翼的升力.

4對教材的建議

最后，因為飛機的升力只是作為流體壓強與流速的應用的案例，但是飛機的升力的原理對于初中生又顯得較為復雜，作為傳遞知識的教科書，應該是嚴謹的，所以建議教師在教學中應選擇更優的例子來解釋流體壓強與流速的關系.