升力來(lái)自于流體的膨脹與壓縮

摘要：本文提出了升力來(lái)自于流體的膨脹與壓縮的理論，間接地批判了用伯努利定律解釋升力的理論。

關(guān)鍵詞：流體力學(xué)；升力；膨脹；壓縮；伯努利定律；機(jī)翼；飛機(jī)設(shè)計(jì)

一般人們都用伯努利定律解釋升力現(xiàn)象，本文提出一種新的升力理論，這種理論認(rèn)為，升力來(lái)自于流體的膨脹與壓縮。

讓我們由一個(gè)實(shí)驗(yàn)開(kāi)始：

圖1所示是實(shí)驗(yàn)用設(shè)備的剖面圖，這個(gè)設(shè)備由管道a、圓盤(pán)1與圓盤(pán)2組成。

實(shí)驗(yàn)：

如圖2所示，使圓盤(pán)1保持水平，當(dāng)圓盤(pán)2足夠靠近圓盤(pán)1時(shí)，雖然圓盤(pán)1與圓盤(pán)2之間仍有間隙，壓縮空氣也不斷從圓盤(pán)之間的間隙沿徑向向四面八方噴出，但圓盤(pán)2卻會(huì)被圓盤(pán)1“吸住”，即便沒(méi)有支撐，圓盤(pán)2也不會(huì)掉落。

為什么圓盤(pán)1會(huì)“吸住”圓盤(pán)2？

設(shè)圓盤(pán)1與圓盤(pán)2之間的間隙為H，設(shè)間隙中某一點(diǎn)為d，d到圓盤(pán)1的軸線(xiàn)的距離為R，設(shè)以圓盤(pán)1軸線(xiàn)為中心、以軸線(xiàn)到d點(diǎn)的距離R為半徑的間隙的體積為V，則

V= HπR2（1）

當(dāng)圓盤(pán)1與圓盤(pán)2距離比較近時(shí)，從管道噴出的壓縮空氣充滿(mǎn)圓盤(pán)與圓盤(pán)的間隙，由（1）式可以看出，體積與半徑是二次方的關(guān)系，當(dāng)半徑增加時(shí)，體積將更快的增加。所以，當(dāng)空氣沿圓盤(pán)的徑向向外運(yùn)動(dòng)時(shí)，圓盤(pán)間隙的體積會(huì)更快的增加，這導(dǎo)致空氣的體積發(fā)生了膨脹。根據(jù)理想氣體的狀態(tài)方程可知，在其他的因素不變的情形下，體積增加，則空氣的壓力降低。而一旦空氣壓力降低到一定的程度，圓盤(pán)2就會(huì)被圓盤(pán)1“吸住”，而不會(huì)下落。

如圖3所示，假設(shè)空氣從四面八方沿徑向流入圓盤(pán)1與圓盤(pán)2的間隙，并從管道的A口流出，根據(jù)公式（1）可知，隨著空氣的徑向運(yùn)動(dòng)，空氣的體積將會(huì)更快的縮小，所以空氣被壓縮，根據(jù)理想氣體的狀態(tài)方程可知，圓盤(pán)間隙中的空氣壓力將升高。而一旦其壓力高到一定的程度，圓盤(pán)2便“漂浮”在圓盤(pán)1上，而不會(huì)下落。

如圖4所示，當(dāng)圓盤(pán)2距離圓盤(pán)1比較遠(yuǎn)時(shí)，從B噴出的空氣撞擊到圓盤(pán)2上，沿徑向運(yùn)動(dòng)離開(kāi)圓盤(pán)2，雖然根據(jù)公式（1），空氣的體積也在膨脹，但由于圓盤(pán)1與圓盤(pán)2距離比較大，即便有壓力降低，圓盤(pán)周?chē)目諝鈺?huì)迅速流入圓盤(pán)1與圓盤(pán)2之間的空間（如圖4雙箭頭所示），從而破壞壓力的降低。不但如此，而且由于從B噴出的空氣對(duì)圓盤(pán)2的沖擊，圓盤(pán)1與圓盤(pán)2之間會(huì)表現(xiàn)出互相“排斥”的性質(zhì)。

如圖5所示，向漏斗的入口吹壓縮空氣，乒乓球就會(huì)懸在漏斗口而不會(huì)下落。這是因?yàn)锳處的截面是窄的，而B(niǎo)出截面是寬的，空氣由A向B運(yùn)動(dòng)的過(guò)程中發(fā)生了膨脹，因此產(chǎn)生了低壓，因而乒乓球被漏斗外的高壓托住而不下落。

最后讓我們?cè)賮?lái)看看機(jī)翼，如圖6所示，機(jī)翼是有迎角的，所以機(jī)翼下部的流道由寬變窄，因此機(jī)翼下部的空氣被壓縮，壓力升高；機(jī)翼上部的流道由窄變寬，因此機(jī)翼上部的空氣被膨脹，壓力降低，一高一低，產(chǎn)生機(jī)翼升力。這里要注意的是迎角太大也不行，迎角大就如同圖4所示的那樣，空氣就會(huì)從機(jī)翼尾部流入機(jī)翼上部，從而破壞機(jī)翼上部的低壓，破壞機(jī)翼的升力。

此外什么吹一張紙條，紙條向上升起，什么吹兩張紙條，紙條彼此靠近等等，這些用的也都是上述空氣膨脹與壓縮的原理。

參考文獻(xiàn)：

[1]鄭恩斌.關(guān)于機(jī)翼升力原因的分析[J]，科技風(fēng)，2015（5）.