航空 - 飞行的艺术

谁不喜欢乘飞机去遥远的国家度假？如今，这不仅比以往任何时候都便宜，而且也比以往任何时候都容易。然而，航空学是最具挑战性的工程学科之一。这不仅是由于该学科的高度复杂性，还由于特别严格的安全要求。

因此，在本文中，我们将带您深入了解这两个主题： 是什么让飞行物理学变得如此复杂，又是什么让测试程序变得如此繁琐？

2000 年，剑桥数学研究所（Cambridge Institute of Mathematics）提出了七个悬而未决的问题，它们是数学（和科学）领域最大、最难的问题之一。如果你解决了其中一个问题，你将获得一百万美元的现金奖励。

证明纳维-斯托克斯方程存在正则解就是其中之一。纳维-斯托克斯方程详细描述了液体和气体的流动。然而，对气流的精确描述是航空学的重要组成部分，因为如果不知道其基本过程，怎么能让飞机升空呢？

因此，纳维-斯托克斯方程的精确解直到今天仍无法实现。然而，通过精心设计的计算机模拟和大量简化，科学家们找到并应用了飞行的基本原理。现在，我们可以提出这样一个问题： 飞机为什么会飞？

工程师和科学家们能够确定飞行和航空学所必需的三个过程：

1. 当空气微粒撞击机翼底部时，它们会向下偏转（图 1.a）。这个过程将飞机向上 “推”，就像向飞机扔小球一样。这种影响相对较小。
2. 在大多数情况下，飞机机翼上下两侧的形状是不同的。这导致机翼上侧的气流速度高于下侧。这是因为在相同的时间内，机翼上部的空气微粒必须飞行更长的距离。由于上下两侧的速度不同，现在（根据伯努利原理）两侧的压力也不同。这个压力差会产生一个向上拉飞机的力（图 1.b）。
3. 飞机机翼的设计方式是将进入的气流向下推。这种推力产生的推力与火箭类似（图 1.c）。这种效果在很大程度上取决于倾斜度： 机翼越陡，向下推开的气流就越多。这就是飞机起飞时翼尖朝上的原因。

图 1: 飞行的物理原理

从所有这些过程可以看出，气流对飞行至关重要。但是，为什么飞机要在几千米的高空飞行，而那里的空气却非常稀薄呢？

乍看之下，这似乎是一个缺点，但实际上却有两倍的用处： 为了弥补因气压降低而导致的升力减弱，飞机还必须飞得更快。因此，飞行时间会缩短。不过，由于空气密度较低，空气阻力也较小，从而大大提高了效率。