妖妖懷疑俺吹牛,要俺說說“飛機翼產生升力的理論”,以證明是流體力學專家。行,俺就說說吧。
空氣,水,油,很爛的泥,它們都叫流體。流體分兩類:像空氣這樣的,加壓力後體積會明顯變小,叫可壓縮流體,對應的流體力學,叫空氣動力學。像水這樣的,加壓力後體積不明顯變小,叫不可壓縮流體,對應的流體力學叫水動力學。俺的專長是水動力學,工作涉及海軍艦艇,潛射武器(導彈,魚雷),船舶工程,海洋工程,港口工程,水利工程,橋梁工程等眾多專業領域。因涉及軍工,俺的工作會歸為敏感的國家機密。
“飛機翼產生升力的理論”,屬空氣動力學,不是俺的專長。但作為流體力學專家,當然也是懂的。俺先解釋一下啥叫升力。升力的直觀解釋就是把飛機抬起來的力。而它的嚴格定義是:當流體流向物體時,會在物體上產生一個力。這個力在流體流速垂直方向的分量叫升力,在流體流速同方向的分量叫阻力。飛機機翼的一般設計目標是:在飛機巡航速度時,升力最大,阻力最小。
風吹過來,在風的方向上有一個力,也就是阻力,大家都習以為常。風的阻力把樹吹倒,早已見怪不怪了。但風吹過來,在風垂直方向上有一個力,也就是升力,大家就見的不多了。為何會有升力?中學老師是這樣說的:飛機翅膀上面是曲面,距離長。飛機翅膀下面是平面,距離短。空氣流過翅膀,上下空氣要一起會合,上面空氣就必須走的更快。而走的快的空氣壓力會更小,所以飛機翅膀上面下面的壓力就不一樣了,有了壓力差,這個壓力差就產生了升力。
中學老師的說法是對的,但非常膚淺。為啥膚淺?因為只有定性,沒有定量。“上面空氣就必須走的更快”,那到底快了多少?快了這麼多,又會產生多大的壓力差?中學老師都答不上來。“到底快了多少”,在流體力學裡是用流體“旋度”來定量的,也就是流體流速圍繞機翼的積分。“會產生多大的壓力差”,在流體力學裡,首先要解流體動力方程,求出流體圍繞機翼的流速。然後用伯努利方程求出正壓力,用邊界層公式算出剪切力。最後圍繞機翼進行積分。
解流體動力方程是最難的。流體動力方程是一組高階非線性偏微分方程。階數高,難!非線性,有多解,也難!偏微分,包含了時間域和空間域,更難!還有初始條件和邊界條件的確定,也很複雜。
我們知道,微分方程的解都有任意常數。比如,最簡單的微分方程dy/dx=1,它的解是y=x+c,這裡c是任意常數。任意常數,在流體力學裡要通過初始條件和邊界條件來確定。也就是說,飛機翅膀的升力,和起飛時的狀態(初始條件)有關,和哪個機場起飛(邊界條件)有關。不過,初始條件和邊界條件的影響,會隨時間和空間變大而變小。當飛機起飛很久,離機場很遠了,起飛時的狀態和哪個機場起飛,就不重要了。