升力

升力（英语：Lift）。当流体流经一个物体的表面时会对其产生一个表面力，而则这个力垂直于流体流向的分力即为升力，与之相对的则是平行于流体流向的阻力。如果流体是空气时，它产生的升力便叫做空气动力。航空器要想升到空中，必须能产生能克服自身重力的升力。升力主要是靠机翼对空气取得，飞机的机翼断面形状有很多种类，依照每种形状适用于不同功用的飞机，飞机的机翼从断面来看，通常机翼上半部曲面及下半部曲面不一样，通常为上半部曲面弧长较长，空气流经飞机机翼截面，因空气流过机翼表面时被一分为二，经过机翼上表面的空气是沿着曲线运动的（因为机翼上表面是弯曲的），所以会产生负压（负压提供空气沿曲线运动所需的向心力），而经过机翼下面的空气是沿着比较平缓的表面运动的（机翼下表面相对平直），所以不会产生负压（参见简化的物理解释），机翼下部压力高，上部压力小，压力高的地方会往压力低的部分移动，这就是升力的由来。升力取决于空气的密度，速度的平方，空气的黏性以及空气的可压缩性，空气流经物体的表面积，物体的形状，以及物体与气流的夹角。一般来说，升力与物体外形，气流夹角，空气的黏性，以及空气的可压缩性这几项的关联是非常复杂的。升力，就是向上的力。从机翼流线谱中看出：相对气流稳定而连续地流过机翼时，上下表面的流线情况不同。上表面流线是弯曲的，其气会产生负压、因此压力小；而下表面流线较平直的，其气流不会产生负压，压力较大。因此，产生了上下压力差。这个压力差就是空气动力（R），它垂直流速方向的分力就是升力（Y）。流过各个剖面升力总合就是机翼的升力。升力维持飞机在空中飞行。机翼是流线型的，能够产生比阻力大得多的升力。平板可以产生升力，但其升力不如流线型机翼来得大，阻力也略高。有几种方法可以解释机翼如何产生升力。某些方法较为严格复杂，有些则是错的。例如，有基于牛顿运动定律的解释，也有基于伯努利原理的解释。两者都可以解释升力。气流经过机翼时，机翼会对空气施加向下的力，根据牛顿第三定律，空气必须对机翼施加大小相等、方向相反的反作用力，也就是方向朝上的升力。气流在经过机翼时改变方向，沿着向下弯曲的路径流动。根据牛顿第二定律，这种流动方向的改变，需要机翼对空气施加向下的力。牛顿第三定律则要求空气对机翼施加向上的力; 因此产生了与方向变化相反的反作用力——升力。气流之所以向下偏转，并非仅仅由机翼的下表面造成，机翼上方的气流也占了很大的因素。伯努利原理指出，流体的压力和速度之间存在着直接的数学关系，因此，如果知道气流中每一点的速度，就可以计算出压力，反之亦然。对于任何产生升力的机翼，必然存在压力不平衡，即顶部的平均气压低于底部。伯努利原理指出，这种压力差必须伴随着速度差。由理论和实验中观察到的流动型态，上表面流速增加的原因，可以用流管夹紧和质量守恒来解释。对于不可压缩流，质量不会被创造或破坏，所以当流管变窄时，为了保持流量恒定，在每个流管内，体积流率(例如每分钟的体积单位)必须保持恒定，变窄区域内会增加流速，以满足质量守恒原理。在机翼的情形，因为向上流动和围绕机翼，所以上部流管收缩。由于质量守恒，流速必须随着流管面积的减小而增大。同样，下部流管会膨胀，导致流速变慢。根据伯努利原理，上表面流速较快，因此上表面压力小于流速较慢的下表面压力。这种压力差产生了向上的净空气动力。产生升力需要维持垂直和水平方向上的压力差，故同时需要“气流的向下偏转”以及“符合伯努利原理的流速变化”。因此上述的简化解释不够完整，因为它们只根据其中一项来定义升力。根据细节，简化的解释还有其他缺陷。基于流体偏转和牛顿定律的解释是正确的，但仍不完整。它并没有解释，机翼如何使比它实际碰触部分还远得多的流体也能产生偏转。此外，它也没有解释水平方向上的压力差是如何维持的。也就是说，它忽略了相互作用中“伯努利原理所影响的部分”。而伯努利原理的解释，建立在上表面有更高的流速，但未能正确解释是什么导致了流速加快:只考虑伯努利的解释意味着，速度差是由压力差以外的原因所引起，且根据伯努利原理，速度差会再导致压力差，但是这种隐含的单向因果关系是一种误解，压力和速度之间真正的因果关系是相互的。最后，只有伯努利的解释不能解释垂直方向上的压力差是如何维持的。也就是说，它们忽略了相互作用中向下偏转气流的部分。对于机翼升力的产生，人们提出了许多不同的解释，大多数是为了向大众解释升力现象。虽然这些解释可能与上述解释有共通点，但可能会引入额外的假设和简化。有一些解释引入了被证明是错误的假设，如“相同过境时间假设”。一些则是使用了有争议的术语，如“康达效应”。在基础或常见的资料中，“等过境时间”理论经常用于描述升力，该理论错误地认为，在机翼前缘分离的气团必须在后缘重新汇合，迫使沿较长上表面飞行的空气速度更快。然后引用伯努利原理得出结论，沿着机翼底部移动的气流速度较慢，气压一定会更高，从而推动机翼上升。然而，没有物理原理要求等过境时间这个条件成立，实验结果则表明该假设是错误的。事实上，机翼上方产生升力的空气运动速度比等过境理论预测的要快得多。此外，这个理论也违反了牛顿第三运动定律，因为它描述了作用在机翼上的力，却没有伴随着反作用力。空气必须同时到达后缘的论断有时被称为“等时间谬论”。起初，康达效应指的是，流体射流(jet)会维持“附着在偏离流体的相邻弯曲表面”的趋势，由此将环境空气卷入（英语：Entrainment (hydrodynamics)）流体。 这种效应命名自罗马尼亚的空气动力学家康达(HenriCoandă)，他在多项专利中充分应用了该效应。更广泛地说，一些人认为，这种效应包括了任何“流体边界层会去附着在曲面上”的趋势，而不只是专用于流体射流的边界层。在这个更广泛的意义上，某些人用康达效应解释为何气流会维持在机翼上的附着状态。例如，Jef Raskin描述了一个简单的演示，用一根吸管吹气，使气流通过机翼的上表面，机翼因此向上偏转,从而证明康达效应能够产生升力。这个演示以流体喷射(吸管所排放的气流)紧临曲面(翼面)，正确展示了康达效应。然而，上表面的气流是一个复杂的、充满涡流的混合层，而与此同时，下表面的气流却是静止的。因此，这个演示的物理性质与一般在机翼上的气流有很大的不同。这种用法在一些流行的空气动力学参考文献中也曾出现过，而这是对“康达效应”充满争议的用法。更公认的空气动力学领域观点是，康达效应被定义在比上述更受限的意义上，沿着上表面的气流只是反映出“缺乏了边界层的分离”; 因此它不是康达效应的一个例子。在“机翼升力的简化物理解释”中，有两种主要解释:一种是基于气流向下偏转(牛顿定律)，另一种是基于压力差而伴随流速变化(伯努利原理)。这两种现像中的任何一种，都部分辨识了升力的面貌，但未解释其他重要部分。更全面的解释包括向下偏转和压力差(包括与压力差相关的流速变化)，以及对气流更详细地研究。机翼形状和攻角共同作用，使机翼在气流经过时对空气施加向下的力。根据牛顿第三定律，空气必须对机翼施加一个大小相等、方向相反(向上)的力，也就是升力。当机翼表面出现压力差，空气会对机翼表面施加净力。流体中的压力在绝对意义上总是正的，因此，必须把压力看作是推，而不是拉。因此，在机翼的任何地方，无论上表面或下表面，机翼会被压力往内推挤。为了对机翼的存在作出反应，气流通过时，会降低上表面压力以及增加下表面压力。因为向上推的下表面压力比向下推的上表面的压力来得大，最终的结果就是向上的升力。压力差直接造成作用于机翼表面的升力; 然而，要理解压力差是如何产生的，就需要理解气流在更大范围内的作用。机翼在大范围内影响气流的速度和方向，产生一种称为速度场的模式。当机翼产生升力,机翼前面的流体向上偏转,而机翼上方和下方气流向下偏转,机翼后方的气流则再次向上偏转,远抛在后的气流与迎面而来的气流处于相同的状态。机翼上方的气流加快，而机翼下方的气流减慢。加上前面空气向上偏转和后面空气向下偏转，这就构成了气流的净循环成分。向下偏转及流速变化明显，并延伸到一个很广的区域，正如右边的气流动画。气流方向和速度上的差异在靠近机翼处最大，在远高于和低于机翼的地方逐渐减小。速度场的所有这些特征也出现在升力气流的理论模型中。压力也受到大面积的影响，形成一种称为压力场的非均匀压力模式。当机翼产生升力时，机翼上方有一个低压扩散区，机翼下方通常有一个高压扩散区，如图中的等压线(恒压曲线)所示。作用于表面的压力差只是这个压力场的一部分。不均匀的压力，在压力由高到低的方向上，对空气施力。 在机翼周围的不同位置，如在等压线图中箭头方向所示，力的方向是不同的。 机翼上方的空气被推向低压区域中心，机翼下方的空气则被从高压区域中心向外推送。根据牛顿第二定律，空气朝受力方向加速。因此，在等压线图中，垂直箭头指出，机翼上下方的空气被加速或向下偏转，因此，在气流动画中，非均匀压力可能是可见气流向下偏转的原因。为了产生这种向下转弯，机翼必须有一个正攻角，或是其后部向下弯曲，就像带有拱形的机翼。注意，上表面的气流向下翻转，是由于上面压力大于下面压力而将空气向下推的结果。有些解释(请参阅“康达效应”)表明,对于向下偏转，粘度将起到关键的作用,不过这是错误的解释。(请参阅“康达效应之争议”)。机翼前方的箭头，表示前方的气流向上偏转；后方的箭头则表示，机翼后方的气流会在向下偏转后，再次向上偏转。这些偏移可以在气流动画中看到。机翼前方和后方的箭头也表明，当空气通过机翼上方的低压区，会在进入时加速，离开时减速。空气通过机翼下方的高压区时，则是相反的情况——它先是减速，然后加速。因此，非均匀压力也是气流动画中流速变化的原因。而流速变化与伯努利原理一致，伯努利原理认为在无粘性的稳定流动中，低压力意味着高速度，而高压力意味着低速度。因此，流动方向和速度的变化是由非均匀压力直接引起的。但这种因果关系不仅是单向的; 而是在两个方向上同时奏效。空气的运动受压力差的影响，但压力差的存在取决于空气的运动。因此，这种关系是一种互惠的相互作用:气流根据压差改变速度或方向，而压差是由空气对速度或方向变化的阻力维持的。只有当有东西可以推动时，压力差才会存在。在空气动力流动中，当空气因为压力差而加速时，压力差会推动空气的惯性。这就是为什么空气质量是计算的一部分，为什么升力取决于空气密度。为了维持机翼表面升力所需的压力差，需要在机翼周遭的大范围内维持不均匀的压力模式。这就要求维持垂直和水平方向的压力差，既需要气流的向下偏转，也需要根据伯努利原理造成的流速变化。压力差与气流的方向和速度变化相互作用，相互支撑。压力差理所当然来自于牛顿第二定律，也来自于流体沿着机翼主要向下倾斜的轮廓流动这一事实。而空气具有质量这点，对相互作用也至关重要。产生升力既需要流体向下偏转，又需要与伯努利原理一致的流速变化。上述简化物理解释中给出的任一解释，只用其中一种方式来解释升力，因此只能解释现象的一部分，而未解释剩下的部分。当机翼表面上的压力分布已知时，确定总升力需要将表面局部元素对压力的贡献累加，每个元素具有其自身的局部压力值。因此，总升力是在垂直于远场流动的方向上在机翼表面上的压力的积分。L = ∮ ⁡ p n ⋅ k d S {displaystyle L=oint pmathbf {n} cdot mathbf {k} dmathbf {S} }升力取决于机翼的大小，大致与机翼面积成比例。通过量化升力系数给定机翼的升力通常很方便 ，它定义了机翼单位面积的整体升力。对于特定迎角的机翼，特定流量条件下产生的升力：L = 1 2 ρ v 2 S C L {displaystyle L={frac {1}{2}}rho v^{2}SC_{L}}升力的数学理论建立在连续流体力学的基础上，该理论假设空气作为连续流体流动。升力的成因是根据物理学的基本原理，其中最相关的有以下三条原理:因为机翼影响其周围广阔区域的流动,力学守恒定律以偏微分方程的形式体现，并结合一组边界条件，必须满足在机翼表面和远离机翼之条件。要预测升力，需要通过计算流体动力学(CFD)的方法，求解特定机翼形状和流动条件的方程，这通常需要大量的计算，只有在计算机上才有办法实现。当CFD要决定净空气动力时，会由CFD决定出在所有表面元素的压力及剪切力，并对其导致的力作"压力积分"。纳维-斯托克斯方程(NS)提供了可能最精确的升力理论，但实际上，在机翼表面边界层，捕捉湍流的影响需要牺牲一定的精度，并且需要使用雷诺平均纳维－斯托克斯方程(RANS)。此外，也发展了其他更简单但不太准确的理论。围绕三维机翼的流动还涉及其他重要问题，尤其是与翼尖有关的问题。对于低展弦比的机翼，如典型的三角翼，二维理论的模型可能较差，三维流动效应占了主导地位。即使对于高展弦比的机翼，有限翼展的三维效应也会影响整个翼展，而不会只靠近翼尖。