你坐在靠窗的位置,飞机在跑道上加速。引擎声越来越响,身体被推回座椅。然后——窗外的地面开始倾斜,你离开了地面。
几百吨的金属,装满了人和行李,就这么飘起来了。
这事其实挺魔幻的。如果我说"因为翅膀的形状",你肯定觉得我在敷衍你。但如果我说"因为空气被往下推",听起来更不可能了。往下推怎么能往上飞?
答案是:恰恰是因为往下推,才能往上飞。
一个很简单的道理
你站在泳池边,用一个充气浮排拍水面。你用力往下拍——手会感觉到一个向上的反作用力。你拍得越用力,手弹起来得越高。
飞机翅膀做的事,本质上和这个一模一样。只是它不是在拍水,是在拍空气。
机翼不是一片平直的板。它有一个倾斜的角度——前缘比后缘高一点。当飞机向前冲的时候,空气撞上这个倾斜的机翼,就被强制改变了方向:往下走。
空气被推向下,根据牛顿第三定律(作用力和反作用力大小相等方向相反),反作用力就把机翼往上推。
就这么简单。机翼飞起来的原因,和你扔皮球手会感觉到反冲的原因,是同一个。
但如果只是这样……还差一点
你可能会问:那为什么不直接把机翼做成一块斜板?确实可以——那种叫"平板翼",纸飞机就是。但真正的客机机翼上面是拱起来的,下面是平的。为什么?
因为多了一个帮手。
当机翼上面的空气要"翻过"拱起的顶部时,它被迫走一条更长的路,所以流速变快。而流动变快的空气,压强会降低。机翼上方的气压比下方低,于是机翼被"吸"向上。
这个效应很多人听说过(叫伯努利原理,不过你不需要记住这个名字)。你只需要知道:机翼会被空气"托"起来,同时也会被"吸"上去。 托的力量来自向下推空气的反作用力,吸的力量来自上下气压差。
两个力量加在一起,才够把几百吨的东西举到一万米高空。
那为什么起飞前要跑那么久?
因为不管是"托"还是"吸",都需要速度。
你可以试试把手伸出行驶中的车窗外,手掌平放——没感觉。把手掌前缘稍微抬高——手会被往上推。车开得越快,往上推的力越大。
飞机也是一样。只有速度够快,机翼才能积累足够的升力来对抗重力。这就是为什么起飞前要在跑道上加速到将近 300 公里/小时。
如果跑得不够快就拉起来——不是"飞不起来",而是飞起来之后立刻就会掉回去。
下次坐飞机的时候
起飞时,你可以看着窗外的机翼——你看到的是机翼的前缘微微翘起,在告诉空气:“让开,我要从这里过去。“空气说:“好,但我得从下面走,顺便把你托上去。”
几百吨的金属、三百个人、三十排座位、两顿飞机餐——全凭一个简单的原理:把空气推下去,自己就飞上来了。
你可能会想:这么简单的事,几万字的物理教材为什么讲得那么复杂?
嗯……因为教材得告诉你什么时候这个解释不成立,什么时候需要修正,在高空大气稀薄的时候怎么算,什么样的情况会失速,失速后怎么救回来。但那个是飞行员需要知道的事。
作为乘客,你能知道的是:你坐在一个不断把空气往下推的机器上,而作为反作用力,它飞了。