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分類: 飛行是怎麼一回事

飛機為什麼能飛?機翼如何產生升力,又為什麼會失速

簡短回答

飛機能飛,是因為機翼把流經的空氣往下偏轉。把空氣往下推,就會產生一股大小相等、方向向上的推力,叫做升力。同一股氣流也讓機翼上方的氣壓較低、下方的氣壓較高。

升力:同一股氣流,兩種描述

升力是托住飛機、抵抗其重量的力。機翼靠偏轉流過它的空氣來產生升力,上下兩個翼面都幫忙把氣流往下彎。把空氣往下推,機翼就被往上推:這是作用力與反作用力,就像牛頓(Newton)第三運動定律。

同一股氣流在機翼上方氣壓較低、下方氣壓較高,白努利(Bernoulli)定理把這種壓力差與空氣的流速連在一起。這不是兩套互相競爭的理論。NASA 認為兩種描述都正確,FAA 也說,只要機翼產生升力,兩者就同時在起作用。

自己試試看

拖動攻角滑桿,看升力沿著曲線增加,直到臨界攻角:氣流在那裡分離,升力隨之下降。

攻角與升力

迎面氣流6.0°升力一條曲線:隨攻角穩定上升,在臨界攻角達到最高點,然後下降。0°8°16°24°升力(示意)臨界攻角

正常飛行:角度增加,升力就平順地增加。

這是以通用機翼繪製的示意圖,不是任何飛機的數據。真實機翼大約在 16 到 20 度失速,視機翼、襟翼和當時條件而定。

關於升力的兩個迷思

「等時通過」理論認為,流經機翼較長上表面的空氣必須加速,才能在後緣與下方的空氣會合。這是錯的:上方的空氣其實流得更快,會先到達後緣。這種說法也無法解釋平板的紙飛機機翼,或倒飛。

另一個迷思說,科學無法解釋飛行。細節確實複雜,簡短的說明也常把它過度簡化,但空氣流動的方程式能描述升力,工程師也用這些方程式算出機翼所受的力。

攻角與失速

攻角是機翼與迎面氣流之間的夾角。它是飛行員改變升力的主要手段,靠駕駛盤或操縱桿來控制。角度越大,升力越大,直到臨界攻角為止,大約 16° 到 20°,視設計而定。超過這個角度,氣流會從機翼上表面分離,升力急劇下降:這就是失速。機翼仍會產生一些升力,但不足以托住飛機。

為什麼速度和重量很重要

升力也隨速度迅速增加:空速加倍時,同一片機翼在同樣的角度下會產生四倍的升力。所以慢速飛行的飛機需要較大的攻角才能保持平飛,快速飛行時需要的角度則較小。重量也很重要,因為升力必須與重量相等。

常見錯誤與迷思

  • 以為牛頓和白努利是互相對立的解釋。兩者描述的是同一股氣流。
  • 以為失速的機翼完全沒有升力。它仍有一些升力,只是不夠。
  • 以為只有機翼彎曲的上表面才重要。機翼迎著氣流的角度同樣重要。

常見問題

飛機怎麼能倒著飛?

升力不需要彎曲的上表面。對稱翼,甚至平板的紙飛機機翼,只要以一個角度迎著氣流,就能產生升力。倒飛時,飛行員讓機翼保持在仍能把空氣往地面偏轉的角度,所以推力仍然向上。

為什麼較重的飛機需要更快的速度?

較重的飛機需要更多升力。飛行員可以加大攻角,但最多只到臨界攻角,而臨界攻角不隨重量改變。超過這一點,只有更快的速度才能帶來更多升力,所以較重的飛機會在較高的空速失速。

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開始這一課: 慢速飛行

同主題的另一堂課: 操縱與配平

資料來源

連結的資料來源為英文。

  1. 什麼是升力? (NASA 格倫研究中心,《航空入門指南》)
  2. 白努利與牛頓 (NASA 格倫研究中心,《航空入門指南》)
  3. 等通過時間理論(一種錯誤的升力理論) (NASA 格倫研究中心,《航空入門指南》)
  4. 傾角對升力的影響 (NASA 格倫研究中心,《航空入門指南》)
  5. 《飛行員航空知識手冊》(FAA-H-8083-25C),第 4 章與第 5 章 (FAA)
  6. 《飛機飛行手冊》(FAA-H-8083-3C),第 5 章:慢速飛行與失速 (FAA)

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