升力來自于流體的膨脹與壓縮

摘要：本文提出了升力來自于流體的膨脹與壓縮的理論，間接地批判了用伯努利定律解釋升力的理論。

關鍵詞：流體力學；升力；膨脹；壓縮；伯努利定律；機翼；飛機設計

一般人們都用伯努利定律解釋升力現象，本文提出一種新的升力理論，這種理論認為，升力來自于流體的膨脹與壓縮。

讓我們由一個實驗開始：

圖1所示是實驗用設備的剖面圖，這個設備由管道a、圓盤1與圓盤2組成。

實驗：

如圖2所示，使圓盤1保持水平，當圓盤2足夠靠近圓盤1時，雖然圓盤1與圓盤2之間仍有間隙，壓縮空氣也不斷從圓盤之間的間隙沿徑向向四面八方噴出，但圓盤2卻會被圓盤1“吸住”，即便沒有支撐，圓盤2也不會掉落。

為什么圓盤1會“吸住”圓盤2？

設圓盤1與圓盤2之間的間隙為H，設間隙中某一點為d，d到圓盤1的軸線的距離為R，設以圓盤1軸線為中心、以軸線到d點的距離R為半徑的間隙的體積為V，則

V= HπR2（1）

當圓盤1與圓盤2距離比較近時，從管道噴出的壓縮空氣充滿圓盤與圓盤的間隙，由（1）式可以看出，體積與半徑是二次方的關系，當半徑增加時，體積將更快的增加。所以，當空氣沿圓盤的徑向向外運動時，圓盤間隙的體積會更快的增加，這導致空氣的體積發生了膨脹。根據理想氣體的狀態方程可知，在其他的因素不變的情形下，體積增加，則空氣的壓力降低。而一旦空氣壓力降低到一定的程度，圓盤2就會被圓盤1“吸住”，而不會下落。

如圖3所示，假設空氣從四面八方沿徑向流入圓盤1與圓盤2的間隙，并從管道的A口流出，根據公式（1）可知，隨著空氣的徑向運動，空氣的體積將會更快的縮小，所以空氣被壓縮，根據理想氣體的狀態方程可知，圓盤間隙中的空氣壓力將升高。而一旦其壓力高到一定的程度，圓盤2便“漂浮”在圓盤1上，而不會下落。

如圖4所示，當圓盤2距離圓盤1比較遠時，從B噴出的空氣撞擊到圓盤2上，沿徑向運動離開圓盤2，雖然根據公式（1），空氣的體積也在膨脹，但由于圓盤1與圓盤2距離比較大，即便有壓力降低，圓盤周圍的空氣會迅速流入圓盤1與圓盤2之間的空間（如圖4雙箭頭所示），從而破壞壓力的降低。不但如此，而且由于從B噴出的空氣對圓盤2的沖擊，圓盤1與圓盤2之間會表現出互相“排斥”的性質。

如圖5所示，向漏斗的入口吹壓縮空氣，乒乓球就會懸在漏斗口而不會下落。這是因為A處的截面是窄的，而B出截面是寬的，空氣由A向B運動的過程中發生了膨脹，因此產生了低壓，因而乒乓球被漏斗外的高壓托住而不下落。

最后讓我們再來看看機翼，如圖6所示，機翼是有迎角的，所以機翼下部的流道由寬變窄，因此機翼下部的空氣被壓縮，壓力升高；機翼上部的流道由窄變寬，因此機翼上部的空氣被膨脹，壓力降低，一高一低，產生機翼升力。這里要注意的是迎角太大也不行，迎角大就如同圖4所示的那樣，空氣就會從機翼尾部流入機翼上部，從而破壞機翼上部的低壓，破壞機翼的升力。

此外什么吹一張紙條，紙條向上升起，什么吹兩張紙條，紙條彼此靠近等等，這些用的也都是上述空氣膨脹與壓縮的原理。

參考文獻：

[1]鄭恩斌.關于機翼升力原因的分析[J]，科技風，2015（5）.