揭秘飞机飞行的秘密：伯努利原理 vs 康达效应

揭秘飞机飞行的秘密：伯努利原理 vs 康达效应

飞机为什么能飞？这个问题看似简单，却蕴含着复杂的物理原理。从伯努利原理到康达效应，每一个理论都试图解释飞机升力的奥秘。然而，这些理论都有其局限性，飞机飞行实际上是一个多因素共同作用的复杂过程。

伯努利原理是由瑞士物理学家丹尼尔·伯努利在1738年提出的，它描述了在流体流动过程中，流体的速度与压力之间的关系。简单来说，伯努利原理告诉我们：在一个稳定的流动流体中，流体的速度越快，压力就越低；反之，流体的速度越慢，压力就越高。

想象一下，水流从一条管道中流出。如果管道的某一部分变窄，水流会加速，而在这部分的压力就会降低。这种现象不仅存在于液体中，在气体中同样适用。就像飞机的翅膀，通过改变空气的流速来创造升力，从而让飞机飞起来。

伯努利原理的推导可以从能量守恒来解释。我们都知道，能量不能凭空产生或消失，它只能从一种形式转化为另一种形式。在流体的流动中，能量主要以三种形式存在：动能、势能和压强能。在伯努利原理中，动能与压强能之间的转化起着关键作用。

当流体加速时，它的动能增加，而为了保持总能量守恒，流体的压力（压强能）就会减少。换句话说，当流体的速度增加时，系统内的能量将从压强能转化为动能，导致压力下降；而当流体减速时，动能转化为压强能，压力上升。这就是伯努利原理背后的核心思想：速度与压力之间的相互关系，实际上是流体总能量守恒的体现。

伯努利原理在现实生活中有着广泛的应用，尤其在航空航天、风洞实验等领域。让我们来看几个经典的例子：

1. 飞机的升力：飞机之所以能够飞行，正是利用了伯努利原理。飞机的翅膀设计成上表面稍微弯曲，而下表面则保持平坦。这样，当空气流过翅膀时，上方的空气流速较快，下方的流速较慢。根据伯努利原理，空气流速较快的地方，压力较低；而流速较慢的地方，压力较高。于是，翅膀上方的压力比下方低，从而产生了向上的升力，使得飞机能够飞起来。

2. 风洞实验：风洞是用来模拟空气流动的实验设备，通过模拟飞行器或其他物体在空气中的运动，来研究空气流动的规律。风洞的设计充分运用了伯努利原理，通过改变风速，观察流体的压力变化，从而帮助工程师优化物体的形状和性能。例如，赛车、飞机和建筑物的外形设计，都需要考虑风洞实验中的伯努利原理，以减少空气阻力或提高升力。

3. 建筑设计中的应用：在一些高层建筑设计中，风速和风压是必须考虑的因素。建筑师和工程师会通过模拟风的流动，计算出建筑物在强风中的压力分布，进而设计出合适的外形和结构，使得建筑物更加稳定和安全。

伯努利原理不仅能解释飞行器的升力，还能帮助我们理解日常生活中的一些常见现象。比如，当你用手指捏住水管的口时，水流会变快，这时你会发现水的喷射压力变大了。这实际上是因为，水在通过狭窄的管道时流速加快，而根据伯努利原理，流速越快的地方，压力越低，因此水管口处的压力比管道内部要高。这个原理在许多流体系统中都有类似的表现。

伯努利原理不仅仅是理论，它背后其实是流体力学的数学推导。如果我们用数学语言来表达伯努利原理，可以得到伯努利方程。假设流体在一条稳定的流线上流动，伯努利方程可以写成：

其中，P表示流体的压力，ρ是流体的密度，v是流速，g是重力加速度，h是高度。这个方程表明，在一条稳定的流线上，流体的压力、速度和高度所代表的能量总和是一个常数。换句话说，流体在流动的过程中，速度和压力之间会互相转换，以保持能量的守恒。

康达效应（Coanda Effect）亦称附壁作用或柯恩达效应。流体（水流或气流）有离开本来的运动方向，改为随着凸出的物体表面摩擦时，流体的流速会减慢。只要物体表面的曲率不是很大，依据流体力学中的伯努利原理，流速的减缓会导致流体被吸附在物体的表面上流动。这中作用是以罗马尼亚发明家亨利-康达命名。

康达效应又叫附壁作用或者柯恩达效应。它讲的是流体（水流或气流）有离开本来的流动方向，随着凸出的物体表面流动的倾向。

康达效应指出，如果平顺地流动的流体经过具有弯度的凸表面的时候，有向凸表面吸附的趋向。打开自来水的时候，如果用筷子去触碰水柱（只要部分水柱即可，这样现象更明显），水会随着筷子向下淌，而不是按重力的方向从水龙头直接往下流。

图中的例子很多人无意间会遇到，把勺子靠近水流后，水流改变了流动方向，被勺子吸引了过来。

上面的实验中，如果加大水流，就会看到勺子往右靠近。水流越大，靠近的越多。

勺子往右靠近的程度跟水流大小成正比。

上面图中演示的现象就是康达效应，可能说附壁作用更能让人理解一些。

一些飞机就是通过康达效应增加升力的，这是怎么做到的呢？

其实不难理解。在上面的动态演示中，勺子把水流的方向改变了，而我们知道，一个物体的运动方向发生改变，得需要一个力，垂直的水流改变了运动方向，这个力显然是勺子给它的。根据牛顿第三定律，勺子对流体施加一个偏转的力，那么流体也必定会施与物体一个反向偏转的力。

如此，如果将发动机安装在机翼上方，发动机的高速气流的运动方向发生偏转，顺着机翼的曲面吹出，根据康达效应，这会给机翼带来一定的升力。正如下图中的乒乓球一样：

图中乒乓球，用一根管子向乒乓球的右侧吹气，结果，乒乓球偏转了气体，气体反过来也给乒乓球一个力，使其向右运动。

上面的乒乓球的例子，如果把乒乓球想象成机翼，管子吹出的气体想象成是发动机的吹气，那么乒乓球的向右运动可以想象成机翼向上运动，也就是产生了升力。

现在的问题是，乒乓球这个曲面，为什么能偏转气流？具体原因如下图：

左面的圆代表乒乓球，右边带箭头的白线代表初始气流。气球和乒乓球之间的斑点代表大气分子。

显然，在用管子对乒乓球的右侧吹气时，气流按理应该是笔直的方向，这没有错，但是，由于高速气流会有一个吸附作用，它会吸引并带走乒乓球和高速气流之间的气体，从而在那个位置产生一个低压区。

高速气流带走气体示意图。

低压区的形成，必然会反过来影响气流的运动方向。

结果就是，流体（气流或者水流）如上图这种运动轨迹。这就是康达效应。

尽管伯努利原理和康达效应在解释飞机升力方面发挥了重要作用，但它们都不是完整的解释。伯努利原理无法解释为什么机翼上表面的气流会加速，而康达效应虽然说明了气流的附壁作用，但没有解释压力差的产生。

实际上，飞机飞行是一个更复杂的物理过程，涉及多个因素。例如，迎角（机翼与气流的夹角）对升力和阻力的影响，以及飞机的稳定性等。这些因素共同作用，才能使飞机在空中平稳飞行。

除了伯努利原理和康达效应，还有其他重要因素影响飞机的飞行：

1. 迎角：迎角是机翼与气流的夹角。适当的角度可以产生足够的升力，但过大的角度会导致失速。失速是飞机飞行中常见的问题，当迎角过大时，升力会突然减少，阻力增加，导致飞机失去控制。

2. 稳定性：飞机必须保持稳定才能持续飞行。这涉及到俯仰、偏航和滚转三个轴的平衡。例如，垂直稳定器的作用类似于风向标，确保飞机始终面向气流方向。

3. 牛顿第三定律：作用力与反作用力原理也是飞机飞行的重要因素。当机翼向下推空气时，空气会产生一个大小相等、方向相反的向上推力，即升力。

飞机飞行是多个物理原理共同作用的结果。伯努利原理、康达效应、牛顿第三定律等理论各有其局限性，但它们相互补充，共同解释了飞机升力的产生。即使科学界还没有一个完全统一的理论来解释升力，人类仍然能够利用现有的知识实现飞行。

飞机飞行的奥秘不仅展示了物理学的魅力，也体现了人类探索未知、追求进步的精神。正如爱因斯坦所说：“科学是永无止境的，它是一个永恒之谜。”