《飞机可不是靠公式飞起来的》.15 机翼上的压力分布


恍兮,惚兮,大风起兮.
值得注意的是机翼的上表面在使气流向下弯曲方面发挥了主要作用; 下表面与平板机翼作用方式几乎相同,因此从某种意义上说上表面才是关键所在。
到目前为止,我们将空气作用在机翼上的反作用力,视为作用在称为压力中心(CP)这个点的单个力(与我们刚开始学习物理时做受力分析一样),但实际上它是作用在整个翼型表面上的所有压力的总和,而这些压力分布在机翼的整个表面。 且无论如何都不是平均分配的。这可以通过所谓的压力绘图很容易来显示。我们假设机翼周围有很多小孔-a,b,c,d,...,o,p,这些小孔连接到玻璃管或者压力计,而这些玻璃管的底部与一个公共的液体储存装置相连(如下图)。

如果某一管内的液体被向上吸,则说明机翼表面相应孔的压力降低;同样,如果液体被迫下降,则说明对应孔压力增加。通过这种方式,可以绘制图形来显示机翼表面不同部分的压力。 于是我们得到了一个典型的机翼表面压力分布图(如下图)。

仔细看一下这张图,图里包含很多关于飞行的奥秘。首先,在上表面大部分区域压力降低,这是由于空气下洗的缘故;然而,在下表面上,空气被向下压,压力增加。请注意,上表面压力的降低比下表面的压力增加要显著得多,因此上表面对升力的贡献更大。我们文章开头已经提到过上表面主要负责下洗。压力分布图也证实了之前的另一个发现,很明显,大部分升力,无论是上表面还是下表面,都来自机翼的前部,因此当我们将所有这些分布的压力替换为单个力,我们必须认为该力作用在机翼中心的前面 - 换句话说,压力中心(CP)非常靠前(注意我们在前面的图表中是如何显示的)。所有这些对我们已经发现的结论的确认都应该给我们信心,我们需要对这个主题充满信心,因为虽然这一切都建立在简单的力学定律之上,但它充满了令人惊讶和意想不到的结果。
在本书中,我不想介绍任何形式的公式、数字或数学(霍金说过,每多写一个公式就会吓跑一半的读者)。您将在有关该主题的更高级的书籍中找到所有这些内容。但是对于机翼周围的压力值有太多的误解,我们还是要澄清的。这种误解的产生主要是由于很多人习惯于将机翼上表面的压力降低描述为“真空”或“部分真空”。 然而,真空意味着没有任何气压! 上表面的真空会导致压力计中相应管中的水被“吸”到大约 36 英尺的高度。而在实际实验中,水柱只上升了三四英寸,远远达不到真空的状态,甚至称不上“局部”真空。 还有,上表面如果是真空会导致非常可观的升力——仅来自上表面面——接近 15 磅/平方英寸,而飞机机翼的实际升力可能甚至达不到15 磅/平方英尺,而一平方英尺有 144 平方英寸。 所以,事情的真相是,飞机机翼周围的压力只是通常大气压力(大约 15 磅/平方英寸)的微小变化,这就是为什么需要如此大的机翼表面来提供所需的升力。
对于这张图,我们有必要再啰嗦两句。在你看到上面上的箭头指向上方的地方,千万不要认为上表面真的存在一种向上的负压——飞机上不可能有小于0的压力。这些向上箭头的意思是压力降低到正常大气压以下,而这实际上产生了向上的压力。正常的大气压约为15 磅/平方英寸,因此当机翼不在空气中移动时,每平方英寸的上表面将承受14.7 磅的向下压力,而在每平方英寸的下表面上会有一个向上的压力。这两个压力大小相等,扯平了!现在,当机翼被推过空气时,上表面承受的压力仍然向下,但小于 14.7磅/平方英寸,而下表面的压力仍然向上但大于 14.7 磅/平方英寸,因此有一个向上的净压力等于这两者的差值,箭头旨在表明这种向上压力是由顶部的减少和底部的增加共同促成的——而上表面贡献多于下表面。
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