飞机滑翔的科学原理

这个故事最初刊登在《飞行杂志》上。

我第一次爱上滑翔的时候还很小。也许那时我还没有爱上四年级时坐在我前面的塞西莉亚·雷维拉。我说的滑翔，并不是指驾驶滑翔机；那时候我还太小，不适合滑翔。我指的是滑翔的感觉——一只蝴蝶、一架模型飞机、一张折叠起来的纸。我父亲用轻木和薄纸制作的模型会飞起来，在空气的波纹中上下摆动，盘旋、俯冲，甚至只是从山顶划出一条长而直、缓缓下降的线，仿佛它在一条看不见的路上滚动着看不见的轮子——那是甜蜜、神奇的，而且，事实证明，它塑造了生活。

对于飞行先驱来说，鸟类的存在是一件幸运的事。如果没有它们，我们就不会知道坚硬的东西也能飞起来。鸟类拍打翅膀起飞和降落，因此拍打翅膀似乎在某种程度上是它们神秘的悬浮能力必不可少的；然而，它们显然可以保持飞行，甚至上升，同时保持翅膀完全静止。它们是怎么做到的呢？

五个世纪前，列奥纳多·达·芬奇绘制了一款悬挂式滑翔机的草图。它看起来很奇怪，本质上是一只椭圆形的风筝，长度比宽度要长得多，而且没有像鸟类那样的尾鳍或舵来保持它指向正确的方向。奇怪的是，作为一位如此敏锐的自然观察者，列奥纳多显然没有意识到翼展对于减少飞行所需力量的重要性。但他的滑翔机仍然比众所周知的谷仓门有了合理的改进。

达芬奇认识到，飞行并不需要拍打翅膀：在平面上正确放置一个重物，它就会沿着空气向前滑动，而不是垂直落下。这是一个基础性的见解，但又过了 400 年，奥托·李林塔尔才制造出第一架实用的悬挂式滑翔机。这些滑翔机与达芬奇的蝙蝠形扑翼机惊人地相似，后者比他的悬挂式滑翔机更努力地模仿自然翅膀的形状和解剖结构。李林塔尔成功地驾驶他的滑翔机飞行了 2,000 次，直到一场不合时宜的阵风吹翻了一架​​，他因此丧生。

如今，滑翔已十分常见，我们不会问自己当飞机滑翔时到底发生了什么，或者当直升机滑翔时到底发生了什么。

让我们回到地面学校的基本图表，上面有四种力——升力、重力、推力和阻力——它们必须保持平衡。升力是指向上方的箭头，阻力是指向后方的箭头。重力——毫不奇怪——指向下方。但滑翔机没有推力。那么它为什么会向前呢？

观察它的一种方法是记住“升力”和“阻力”是相对于气流定义的。阻力与飞行方向平行；升力与飞行方向成直角。因此，当滑翔机下坡时，其升力箭头会稍微向前倾斜并抵消其阻力。

至少，这是官方的解释。持怀疑态度的人会反对说，将升力定义为与气流垂直的力是武断的。这只是一种文字上的方便。为什么升力不能定义为像重力一样的垂直力，或者与弦线垂直的力？就此而言，我们为什么要把它想象成一个箭头？物理现实中没有升力箭头。机翼表面只有压力和摩擦力——飞机的其余部分也是如此，但为了思考滑翔，只考虑机翼就足够了。这些力可以表示为一支箭或两支箭，或者像豪猪一样从飞机上射出的一连串箭。

如果我们忘记箭头，只考虑压力，就会发现机翼前缘周围流动的高速空气会在那里产生低压，将机翼拉向前方。在任何足够向下倾斜的飞行路径角度下，都存在一个迎角，在该迎角下，作用在机翼上的前向压力和作用在机身其余部分上的后向压力处于平衡状态，飞机不会加速或减速。此外，在任何速度下，飞机的下降率都是这样的：它因失去高度而放弃的势能恰好等于克服阻力所需的能量。

等等，这不是永动机吗？而且是非法的？不。机翼必须下降才能实现永动机，而且它不能无限下降。最终，它会到达地面。

滑翔直升机的情况则更令人困惑。想象一下风扇。当风扇由马达驱动时，空气从后部进入，并从前部加速流出。但如果你从前部向风扇吹气，它就会朝相反的方向旋转。直升机的转子类似于风扇，但显然，如果发动机停止运转并且直升机开始下降，转子不会停止并开始朝相反方向转动。它会继续以与之前相同的方向和速度转动。

旋翼叶片的滑行方式与飞机相同。但更准确地说，每个叶片只有一部分在滑行，因为每个叶片只有一部分具有正确的速度和迎角组合，以实现推力和阻力之间的适当平衡。旋翼叶片的最外层移动速度太快，其迎角（其圆周速度与直升机下降速度之和）太小；其力的总和就是阻力。最内层移动速度太慢；其迎角太大，因此失速。同样，它会产生阻力。

叶片的中部是最佳位置，可产生足够的额外推力，使旋翼克服叶尖和叶根的阻力继续旋转。与飞机不同，直升机甚至可以垂直滑翔，因为叶片不会将垂直下降视为真正垂直。例如，假设一架直升机，其旋翼长 30 英尺，转速为 400 rpm。叶片在中跨处的圆周速度为每秒 315 英尺。如果直升机以 1,800 fpm 的速度垂直下降，则中跨处的攻角约为 6 度，这是滑翔飞机的典型攻角。增加 50 节的前进速度需要周期性调整 - 也就是说，前进叶片相对于旋翼盘的俯仰角需要减小，后退叶片的俯仰角需要增加 - 但平均攻角仍保持在 6 度左右。

滑翔是无形力量的可见表现，是速度、下降率和迎角作为线索的谜题的答案。这个谜题可能令人抓狂，但大自然是仁慈的：她给了我们鸟类。甚至从三楼窗户扔出的折叠纸飞机也能立即解开飞行方程，无需指导，就知道如何滑翔。