一个难以置信的事实是：尽管莱特兄弟在100多年前就将飞机开上了天空，但直到今天，人们仍然不清楚，飞机是如何飞起来的。
从严格的数学层面上讲，工程师们知道如何设计能在高空飞行的飞机，但数学公式并不能解释气动升力产生的原因。为了解释这个问题，两个理论针锋相对，但两者均无法提供完整的解释。
撰文 | 埃德·里吉斯（Ed Regis）
翻译 | 白晨媛
审校 | 吴子牛
是什么产生了空气动力学中的升力（lift）？各家的看法并没有达成一致。科学家提出了两种不同的理论来解释升力。问题是，这两种非技术性的理论本身并没有错，但两者都没有提出一个可以解释升力各个方面的完整理论。
要完美解释空气动力学中的升力似乎是不可能的。要考虑飞机抬升过程中的所有作用力、影响因素和物理条件，而不留下无法解释或未知的问题，这种理论真的存在吗？
在美国航空航天局埃姆斯中心流体力学实验室中，科学家用水槽试验测试飞机表面的流场。图片来源：伊恩·艾伦（Ian Allen）
有缺陷的经典理论
到目前为止，对升力最流行的解释是伯努利原理，这是瑞士数学家丹尼尔·伯努利（Daniel Bernoulli）在1738年发表的专著《流体动力学》（Hydrodynamica）中提出的一种原理。简单地说，伯努利原理指出：流体的压力会随着速度的增加而减小，反之亦然。
飞机的机翼上方有一种特殊的凸起，专业术语称为翼型（airfoil）。因为这种弯曲的存在，与流经机翼平坦下表面的空气相比，流经弯曲上表面的空气速度更快。科学家认为，按伯努利原理，机翼上表面流体速度的增加导致那里的气压降低，以此产生了向上的升力。
无论是风洞实验（主要观察由烟气粒子显示出的轨迹流线）、喷管还是文丘里管（Venturi tubes，一种真空发生装置）等实验，都给出了海量的经验数据。这些数据有力地证明了伯努利原理的正确性。然而，伯努利原理本身并不能完全解释升力。尽管实际经验表明，在弯曲的表面上空气流动的速度确实更快，但伯努利原理却无法解释为什么会出现流速变快的现象。换句话说，这个定理并没有说明机翼上方的高流速是如何产生的。
一个众所周知的演示，在很多网络平台，甚至一些教科书中都曾反复出现过，它宣称可以“展示”伯努利原理。在这个演示中，实验人员会将一张纸水平地放在嘴前，并用气吹动它上表面，此时，纸面会上升。人们以此说明确实存在伯努利效应。可是，当你吹纸的下表面时，纸面还是会上升。按理说，纸张会应该出现相反的结果，因为纸张下部的气流应该把纸往下拉。
霍尔格·巴宾斯基（Holger Babinsky）是英国剑桥大学空气动力学教授，他指出：一侧的气流会让弯曲纸面升起，“这并不是因为空气在纸面两侧的流速不同”。为了说明这一点, 你可以吹一张平直的纸张来验证这一切。例如，吹一张垂直悬吊的纸张，看它是不是既不向一侧移动也不向另一侧移动。毕竟 “尽管气流速度明显存在差异，但是纸张两侧的压力却是一样的”。
伯努利原理的第二个缺点是，它并没有说明机翼上部高速流动的空气为什么会形成更低的压力，而不是更高的压力。毕竟，当机翼向上移动时，空气理应被压缩，机翼顶部的压力应该会增加。在日常生活中，这种“瓶颈现象”通常会让事情变慢，而不是加速。例如，在高速公路上，当两条或多条车道合二为一时，道路上的车辆不会开得更快，而是会出现车流减速的现象，甚至可能发生交通堵塞。在机翼上表面流动的空气分子却不是这样的，但是伯努利原理却并没有说明白为什么会形成这种现象。
第三个问题特别关键，可以证明伯努利原理对升力的解释是不对的：一架具有弯曲上表面的飞机翻过身来也能飞行。这种情况下，弯曲的机翼表面变成了底面。根据伯努利原理，机翼的下表面的压力会降低，当这个低压环境结合重力作用，应该会产生一个向下拉动飞机的效果，而不是支撑它继续飞行。但是，无论是具有对称翼型的飞机（其顶部和底部的曲率相当），还是上表面和下表面均为平坦翼型的飞机，只要机翼遇到迎面而来的风，并且配合适当的迎角，都能翻过来飞行。这意味着，伯努利原理本身并不足以解释升力产生的原因。
用伯努利原理解释机翼升力的缺陷
除了用伯努利的理论来解释升力外，科学家还试图用另一种理论来解释这种力的来源：牛顿的作用力和反作用力原理。根据这个定律，当机翼向下推空气，有质量的空气会产生一个大小相等、方向相反的向上推力，也就是升力。因此，理论认为机翼是通过推动空气使飞机产生升力的。这个理论适用于任何形状的翅膀，弯曲的或平坦的，对称的或不对称的。同时，这个理论也适用于正常飞行，或者翻过来飞行的飞机。因此，牛顿第三定律对升力的解释比伯努利原理更全面，也能应对更多情况。
