升力流瀑

馮維亞 張鵬

摘 要：該文所說的流瀑是指一個人為制造的片狀流體，可以是氣體流瀑，也可以是水體流瀑。當流瀑作用在一個平滑的片狀物體上表面時（指與板狀物平行表面作用），它會產生一個物理效應，對板狀物有一個向上的吸引作用，其力的方向與流瀑垂直。如果將流瀑作用用于固定翼飛機機翼的上表面時，在上下壓差的作用下，就會對機翼產生一個向上的升力，使固定翼飛機可以垂直升降。在飛機具備固定翼飛機和直升飛機雙重功能的情況下，無論是民用還是軍用都具有重大意義。

關鍵詞：流體 壓力 流速 壓強 板狀物體 吸力

中圖分類號：O31 文獻標識碼：A 文章編號：1674-098X（2016）01（a）-0015-02

流瀑可以定義為人為制造的片（扁）狀流體，而且是不可壓縮的流體。當流瀑在表面平滑的物體表面流過時，它會產生一個效應，使物體表面的壓力減小了，其壓力方向與流瀑成垂直狀態。換句話來說，就是流瀑對物體產生吸力。這是符合伯努利定律的，流速愈大，壓力愈小，流速愈小，壓力愈大，無流速時則為靜壓。流瀑也可以理解成為一個片狀的管流，是在同一介質中運動的管流，其截面積是一個扁矩形。

對于板（片）狀物體來說，在其上面順板制造人工流瀑（在同一介質中），當流速足夠大的時候，產生的吸力大于板狀物體重量的時候，板狀物體就會被壓向流瀑的一側，這是因為流瀑的流動使得同側壓強減小了。如圖1。

在圖示中可以看出，流瀑（相當于流管）在流動時會在其邊界上減小壓力，上邊界是空氣，下邊界是板狀物體。在大氣壓的條件下，上、下邊界會同時向流瀑施加壓力，或者是流瀑向兩邊產生了吸力。上邊界的空氣向下施壓時，因為同質，邊界空氣分子會被流瀑攜帶改變方向，與流瀑同向運動，形成同質的邊界層，以保證流瀑在一定范圍內的厚度。下邊界是板狀物體，將空氣和流瀑隔開，因此，在壓差的作用下，板狀物體將向上運行。

如果是將流瀑噴發器置于板狀物體上，或者是流瀑可以與板狀物體同步位移時，板狀物體在大氣壓的作用下會向上移動。在流瀑不斷侵蝕上邊界空氣的條件下，板狀物體不斷上升，直至目標位置。在同一介質中，流瀑不受方向限制，但它的流向必須與板狀物體表面保持一致，其吸力與流瀑是垂直關系。流瀑效應可以適用于空氣中，也可以適用于水體中。該文一般是指空氣中，其中流瀑是指氣流瀑。

實驗：由于實驗條件的限制，只能進行小的定性實驗，確定流瀑產生吸力的現象，只要現象存在，就能證明流瀑可以產生升力。

制造流瀑沒有專用設備工具，所以需要自行制作。選擇吹風機一個，吹風機有3個檔位，可以產生3個不同的風速氣流。再選擇一個易拉罐空罐，將易拉罐兩端剪掉，形成一個空筒，然后將空筒的一端制作成截面積為0.5×10.0 cm的矩形罐口（風出口），使其成為一端扁一端圓形的異形筒。然后再將筒的圓形一端套與吹風機的風頭上，其接口用膠帶紙粘牢，形成簡單的流瀑發生器。當吹風機送風時，就可產生扁狀的氣流體——流瀑。

實驗用兩種材料進行，一種是硬紙片（刊物封面），一種是硬紙板，兩種材料的重量不同，一種為柔性，一種為剛性。兩種材料均制成10 cm寬的條帶，然后一端用膠帶紙柔性固定在流瀑發生器的下沿內壁上，粘牢后條帶可以自然下垂。實驗時，首先要使流瀑發生器出風口處于水平狀態，與地面平行，流瀑在上，條帶在下，然后把條帶未固定的一端抬至流瀑平行的位置，使之與流瀑能夠接合。每種材料按3檔流速分別做吹風試驗，每個風擋可以抬起（吸起）三個不同長度的條帶，流速愈大，抬起的長度愈大。實驗結果如表1。

從實驗中可以看出流瀑確實產生了吸力，使條帶克服重力呈水平狀與流瀑平面保持一致，說明了流瀑的側面壓力小，在大氣壓力的作用下，使條帶貼附于流瀑的下面。同時也證明了前文的圖示狀態，在板狀物一側制造人工流瀑時，板狀物會被壓向流瀑一側。

實驗中按檔位分別對不同長度的條帶做了流瀑實驗，流速愈大抬起的條帶愈長，這說明了流瀑的流速是在逐步變化減小的，出口最大，末端變小。流速愈大，吸力愈大，影響的范圍愈大。條帶的末端是一個平衡點，是吸力與條帶重力的平衡點，它確定了板狀物的平衡范圍。在實際生活中，流瀑產生壓差的事例是比較多的，如飛機機翼上下面的壓差，大風可以掀翻屋頂的壓差，吹紙條向內壓縮的壓差等等。很多方面都證明著流瀑現象的存在， 表現的形式不同罷了。固定翼飛機在起飛和飛行過程中機翼與空氣產生了相對的運動，形成了與氣體（空氣）的相對流動，從而產生了機翼上、下翼面的兩個流瀑，上翼面流瀑的流速大、壓力小，下翼面流瀑的流速小、壓力大。因此上下翼面而生成壓差使飛機產生升力。

固定翼飛機的機翼就是一個板狀物，是一個非標準的板狀物。當流瀑在板狀物體表面流過時，它是一個主動的流體，可定義為主動流瀑，其他為被動流瀑。主動流瀑與機翼作用時的功能與飛機飛行時的功能有相近之處，只不過主動流瀑僅在機翼的上表面進行氣流運動（作用），使得機翼上表面是動壓，下表面是靜壓。動壓隨著上表面流瀑的流速增大而減小，靜壓是物體所在海拔高度的大氣壓，因而可以產生機翼上下表面的壓力差，使機翼產生了向上的升力。當升力大于飛機的重量時，飛機上升；升力小于飛機重量時，飛機下降。在相同的氣流流速條件下，流瀑對機翼會產生更大的升力，因為沒有了流差，沒有了機翼下表面的流差，就意味著增加了一部分升力。根據初步估算，當流瀑的流速為100 km/h，可以產生400 kg/m2的升力；200 km/h，可以產生1500 kg/m2的升力。

結語

（1）流瀑流過物體表面時，符合伯努利原理，流速大，壓力小，流速小，壓力大。（2）流瀑流過板狀物體（設與流瀑同寬）表面時，板狀物體會被壓向流瀑方向，或者說是被吸向流瀑方向。（3）在同一介質中，流瀑沿物體表面流過時，會產生吸力，流速愈大，吸力愈大。（4）流瀑流動時，在邊界層上有能量損耗，所以流瀑的流速是逐步衰減的，由近及遠，其吸力也是由大到小。（5）流瀑作用在板狀物上的功能與機翼飛行狀態的功能相近，一個是單面氣流通過，一個是雙面氣流通過。在上表面氣流流速相同的情況下，板狀物的升力將大于機翼飛行的升力。（6）流瀑概念的提出是基于垂直升力原理提出的，如果在飛機的機翼上翼面設置流瀑噴發器系統，當氣流瀑的流速達到高速噴射氣流時，在大氣壓的作用下，可以將固定翼飛機垂直升起來，或再降下來，使固定翼飛機可以垂直起降。對于具有固定翼飛機和直升機雙重功能的飛行器來說，它具有更加廣泛的用途，無論是民用還是軍用都會產生巨大的影響。或許這是一種變革，使得飛行器更廣泛的使用，方便快捷。

參考文獻

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