问题

伯努利定律怎么解释飞机倒着飞时产生的升力?

回答
我想,你这是在问一个很有趣、也很容易让人产生误解的问题。关于飞机“倒着飞”产生的升力,实际上是基于伯努利定律在特定情况下的应用,但它和我们平时理解的“倒飞”有所不同,而且很多人对此有些概念上的混淆。

首先,我们要明确一点:飞机倒着飞时,机翼产生的升力方向是朝向机翼的“上方”(相对于机翼本身),而这个“上方”在倒飞时,就是地面朝向你的方向。但更关键的是,升力始终是垂直于气流方向的。所以,我们得好好梳理一下。

我们先来回顾一下伯努利定律:简单来说,在同一条流线上,流体(包括空气)的速度越大,其静压力就越小;速度越小,静压力就越大。在飞机机翼产生升力的过程中,伯努利定律扮演着核心角色。

飞机翼型,也就是我们看到的那个特殊的横截面形状,它的设计至关重要。通常情况下,机翼的上表面是弯曲的,而下表面相对平坦一些。当飞机向前运动时,空气流经机翼。由于上表面的弯曲度更大,空气需要走过的路程更长,为了在同一时间内到达机翼后缘,上表面的空气流速必须比下表面的空气流速更快。

根据伯努利定律,上表面空气流速快,所以其压力就小;下表面空气流速慢,所以其压力就大。正是这个上下表面之间的压力差,在上表面产生一个向上的推力,在下表面产生一个向下的推力,合起来就形成了升力,将飞机托举起来。

那么,现在来谈谈你说的“飞机倒着飞”。这里有两种可能的情况:

情况一:我们一般理解的“特技飞行”中的倒飞(例如,战斗机表演的某个瞬间)

在进行特技飞行的倒飞动作时,飞机实际上是在俯冲。这个时候,飞行员的操作会让飞机的姿态变成机腹朝上,但空气流经机翼的方式并没有根本性改变。

关键点在于: 即使飞机姿态变成了“倒着”的,空气依然是从飞机前方涌来,流经机翼。
机翼的“上”和“下”是相对的: 我们说的机翼“上表面”和“下表面”是相对于机翼自身的结构而言的。在特技飞行的倒飞瞬间,我们通常说机翼的“上表面”是指原来我们看到的那个更弯曲的表面,而“下表面”则是那个相对平坦的表面。
升力方向仍是垂直于气流: 空气流经机翼,即使在倒飞姿态下,上表面的空气流速依然大于下表面。因此,上表面的压力依然小于下表面的压力。
升力作用在机翼上: 这个压力差产生的合力,依然是垂直于气流方向,并且是从低压区(上表面)指向高压区(下表面)。所以,在倒飞的瞬间,这个升力实际上是指向天空方向的,也就是远离地面的方向。

这和飞机正常飞行时产生的升力是同一个原理,只是飞机的姿态不同了。 正常飞行时,升力向上,将飞机托向天空;倒飞时,升力同样产生,但是因为飞机是“翻转”过来的,这个升力方向就变成了把飞机推向地面。

那么,飞机为什么能在这种状态下“飞”起来呢?

这里就涉及到一个重要的补充:

1. “倒着飞”的动力来源: 在特技飞行的倒飞瞬间,飞机本身还在向前运动,并且发动机在提供推力。这个推力是为了克服空气阻力,并保持飞机的速度。
2. “倒飞”的升力并非支撑飞机对抗重力: 在特技表演的倒飞瞬间,飞机并不是靠升力来“向上”飞的。相反,是重力在将飞机向下拉。飞机之所以能在空中保持这个姿态而不立即坠落,是因为它有足够的速度和惯性,并且发动机提供的推力也在一定程度上抵消了向下的加速度。
3. “升力”的真正作用: 在这个倒飞姿态下,机翼产生的“升力”实际上是在对抗重力的一部分,或者说它在以一种“反向”的方式作用。如果飞机速度足够快,并且机翼迎角(机翼弦线与相对气流方向的夹角)调整得当,产生的这个指向地面的“升力”会使得飞机在俯冲时减缓下坠的速度,或者在某些特技动作中保持一个特定的轨迹。

简单来说,在特技飞行的倒飞状态下,机翼依然遵循伯努利定律,上表面流速快压力小,下表面流速慢压力大,从而产生一个垂直于气流的力。只不过,这个力的方向相对于地面是向下的,它实际上是在用一种“倒置”的方式对抗重力,帮助飞机在做特技动作时保持一定的飞行姿态。

情况二:一个“误解”或“概念错位”的说法

有时候,人们会开玩笑说“飞机倒着飞是因为它有两套翅膀,一套在上面,一套在下面,颠倒过来也可以飞”。这个说法是错误的。飞机只有一个机翼,无论它是正常飞行还是特技飞行中的倒飞状态,机翼的“上表面”和“下表面”是固定的。

伯努利定律解释的是速度和压力的关系。在任何情况下,只要空气以不同的速度流经机翼的不同表面,就会产生压力差,从而产生垂直于气流的力。

所以,总结一下:

飞机正常飞行时,机翼上表面空气流速快,压力小;下表面流速慢,压力大。这个压力差产生向上的升力,对抗重力,使飞机飞起。
飞机特技飞行中的“倒飞”姿态,机翼的结构依然存在,上表面仍然比下表面弯曲度大。当空气流经时,上表面空气流速依然大于下表面,压力依然小于下表面。
因此,伯努利定律仍然适用,会产生一个垂直于气流方向的压力差产生的力。
在这个倒飞的瞬间,由于飞机姿态翻转,这个力实际上是指向地面的(相对于机身,它依然是“向上”作用于机翼,但飞机整体是翻过来的)。
这个“倒着飞”的升力,并不是用来“托举”飞机对抗重力,而是飞机在向前运动和发动机推力作用下,维持一个特定姿态时产生的对重力的一个“反向作用”,帮助完成特技动作。它让飞机在俯冲时不会那么快失去控制。

希望这个解释足够详细,并且能帮助你理解伯努利定律在飞机飞行中的作用,以及它如何解释那种看似“倒着飞”的奇妙现象。关键在于理解机翼的结构和空气动力学原理是恒定的,而飞机的姿态可以改变,由此导致我们观察到的力的方向也似乎改变了。

网友意见

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正着和倒着唯一的区别就是机翼如果不对称的话,倒着的时候升力少一些。参见下面两幅手绘示意图。


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