为什么机翼上方压力降低而在其下方压力增加?很多充满好奇心的读者依然会这样问。到目前为止,我们所说的归结起来只有下洗气流,这当然是一种解释方式。但也许更好的解释方式是类比。 这就不得不说一说大名鼎鼎的文丘里管了,如下图。
文丘里管首先是一个管子,这个管子符合如下特征,首先是逐渐变窄的入口,然后是“喉部”,然后是逐渐变宽的出口。精心设计的文丘里管出口通常比入口长。管子的形状仅此而已,但是文丘里管不仅对形状有要求,通过它的空气或其他流体要稳定的流动;如果形成大的漩涡,那么整个想法就失效了。
假设现在我们已经拥有了一个文丘里管,很明显,通过喉部的空气量必须与进入入口和出口的空气量相同。因此,由于喉管处的横截面积小于入口和出口处的横截面积,那么只有两种可能:
流体在通过喉部时被压缩
流体在通过喉管时加速
喉管就是俗称的瓶颈,想想日常生活中的无数例子,瓶颈处可能发生什么呢?想象一下,一场盛大的足球赛事结束了,足球场很宽阔,可是出口很窄。 无组织无纪律的人群在出口处开始拥挤,人群被“压缩”了,除了不舒服之外,整个离开场地的过程都会被推迟。纪律严明的人群外加管理有序的离场是怎样的呢?他们会在接近大门时会快速的移动,然后奔跑着冲过大门,随后随着路径的拓宽慢慢减速。对比一下,车儿们试图通过伦敦街道上一些臭名昭著的“瓶颈”的方式,以及通过默西隧道的纪律严明的加速方式。
好了,言归正传。当流体通过文丘里管时会怎样呢?是在喉咙处被压缩,还是流速加快?就水而言,答案显然是流动得更快。首先,因为水不能被压缩;其次,用事实说话,因为现实生活中有很多实际的例子,我们可以观察水,看看它在通过“喉咙”时是如何加速的——站在一座桥上,观察桥洞间水的流动。液体如此,空气呢,空气是可以并且很容易被压缩的,所以通过“咽喉”时必然被压缩了。并不是!!事实是通过文丘里管的空气和水流模式几乎完全相同(如下图)。对空气速度的测量表明空气像水一样加速了,并且正如前文所述,其表现得好像不可压缩(这里还是要考虑一个前提——我们研究的是远低于声速的流速)。
“喉部”流速加快的结果是什么?我们可以通过实验绘制其不同位置的压力分布图绘图,得到答案水到渠成,当然了要解释为什么会是这样子的并不那么容易。在喉部,空气施加在管子两侧的压力小于出口或入口;事实上,随着流速的增加,管壁上的压力会降低,反之亦然。为什么 ?通常情况下您会得到的答案是伯努利定理。啥?就这样了?那么什么是伯努利定理?嗯,你可能听说过能量守恒的概念——能量可以从一种形式转变为另一种形式,但宇宙中所有能量的总和保持不变。当然了有些人会告诉你这不完全是真的;但我们不必担心,至少在我们目前研究的领域,这是无可辩驳的真理。嗯,伯努利定理正是能量守恒原理的一种特殊应用,它涉及流体的流动——或者更确切地说是流体的流线型流动,因为如果流动是湍流,定理就会失效。实际上,伯努力定理指出,在流线型流动中,流体施加的压力总和保持不变。 总而言之,流体通过两种方式施加压力:首先,因为它的运动——这是当风吹到我们脸上时我们感受到的压力;其次,因为储存在其中的能量使其对容器的两侧施加压力——即使它没有移动,这是施加在气球外壳、充气轮胎的压力,或者,使用最常见的例子,是普通的大气压或大气压力。运动产生的压力我们称之为动压,另一个我们称之为静压。
因此,根据伯努利定理,动压和静压之和保持不变——随着速度(和动压)上升,静压必然下降。我们不能在这里证明这个定理,但是,也许更令人信服的是,我们可以举几个例子来证明它在实践中的真实性。这是很有必要的,因为这是与常识相反的科学原理之一——这似乎表明“常”未必是“识”。您是否注意到牙医会将一根管子连接到一个普通的水龙头上,并且在那个管子中间有一个小的玻璃文丘里管,另一根管子从文丘里管的“喉咙”通向您的嘴巴?通过文丘里管的水流会导致压力降低,从而将水分从口腔中吸出。你有没有注意到从狭窄的缝隙吹来的风是如何把树叶和灰尘吸向缝隙的?你有没有看到过通过一扇微开的门的气流会把门关上,而按照常识风会吹开门(这个例子我确实没有留意过)?您是否注意到在哨子或大多数管乐器中,空气是如何被吸入乐器的“喉咙”的?两艘靠得很近的船会被吸在一起,这往往是发生碰撞的原因;同样,靠近码头的船只会被吸入码头。
但最好的例子来自我们当前研究的主题。例如,风洞。当空气冲过它时,外部空气的压力大于空气流动最快的隧道最狭窄部分的压力。如果你怀疑这一点,可以在隧道里打开一扇窗户或一扇门,体验一下。文丘里管本身(有时是双文丘里管,大的里边套个小的)用于各种抽吸仪器,用于通过抽吸测量空气速度,用于通过抽吸驱动陀螺仪。化油器中的阻流管是文丘里管实际使用的完美示例,最后是我们试图解释的机翼。机翼和文丘里管有啥关系?通过仔细观察机翼周边空气流动的方式(如下图),您会注
意到压力降低的地方是恰恰是流线彼此靠近的地方,空气以更高的速度流动,就像在文丘里管的较窄部分。作为一般规则,空气在整个上表面流动得更快,而在整个下表面流动得更慢。最大的速度是在顶面上的弧度的最高点,这里也是最小的压力点,如文丘里管的喉部。但是——我们再次强调这一点,因为它很重要——只有当流线保持接近物体表面流动时,才能获得最好的结果;一旦它们脱离,在翼型和文丘里管上,压力下降就会减少,吸力也会减少。
思考空气或水流过文丘里管或机翼的最佳方法之一是考虑压力变化如何影响流速变化,而不是像我们迄今为止所做的那样考虑流速如何影响压力。毕竟,这就像先有鸡和先有蛋一样——谁也不知道哪个先来的。流体容易从高压流向低压;从技术上讲,有一个有利的压力梯度——所以此时对空气而言,它正在“下坡”! 这就是文丘里管的入口到喉部之间发生的情况,或者在机翼的上表面直到最大弯度(空气在加速,因为其在下坡)。但是在喉部或者最大弯度(向外的弧度)之后,压力在增加,压力梯度是不利的,空气正试图“爬坡”,如果我们不小心就会失速——是的,就是这样!
译者注,下边是一个文丘里管的应用的专利(1888年),这个发明可以使用文丘里管进行用水量的测量。