4．省力的櫓與飛行的秘密 迎角的升力與抬頭效應(yīng)

我們都有這樣的常識(shí)，飛機(jī)與鳥之所以能在空中飛行，是因?yàn)轱w行的機(jī)翼與翅膀能產(chǎn)生升力。可是，很少人知道，機(jī)翼和翅膀產(chǎn)生升力的方式或者說原理，居然和公元前漢代發(fā)明的櫓在搖動(dòng)時(shí)產(chǎn)生推進(jìn)力的原理完全一樣。不知是否可以說，是漢代的人最早掌握了飛行的本質(zhì)原理。據(jù)說受櫓的啟發(fā)，英國人發(fā)明了螺旋槳，美國人改進(jìn)了游泳運(yùn)動(dòng)員的姿勢(shì)。這個(gè)秘密就在迎角，即扁平的物面與運(yùn)動(dòng)方向有夾角。迎角使扁平物體的一面被水流（或氣流）撞擊，一面被水（或空氣）拉扯，產(chǎn)生推進(jìn)力或升力。

船櫓的秘密（圖1.11、圖1.12）

宋代慧遠(yuǎn)禪師的《點(diǎn)絳唇》曰：“來往煙波，此生自號(hào)西湖長。輕風(fēng)小槳，蕩出蘆花港。得意高歌，夜靜聲偏朗，無人賞。自家拍掌，唱徹千山響。”可見一邊劃船還能一邊唱歌欣賞美景，這說明劃船的槳葉還是比較省力的。

船夫有三篙不抵一棹、一櫓抵三棹之說。可見，櫓的效率最高。人們可能認(rèn)為櫓利用了仿生學(xué)原理，仿照了魚尾，通過像魚擺尾一樣搖擺櫓來產(chǎn)生推動(dòng)船前行的力。事實(shí)上，櫓不是像魚擺尾那樣通過搖擺獲得推力，而是利用了神奇的迎角效應(yīng)，與機(jī)翼產(chǎn)生升力的道理一致。

東漢劉熙在《釋名》一書中就提到了櫓，尤其指出櫓在擺動(dòng)時(shí)能產(chǎn)生力，且力沿著船脊方向。船櫓一般通過支點(diǎn)固定在船尾，握手的櫓把則通過櫓繩與船緣鏈接，可以在不用的時(shí)候穩(wěn)定船櫓并配合櫓手左右搖動(dòng)櫓把。搖櫓手面朝船的一側(cè)，向船的兩側(cè)方向搖動(dòng)船櫓，使在水中的櫓板朝船的兩側(cè)來回劃水。櫓手通過轉(zhuǎn)動(dòng)櫓柄，使櫓板在來回劃水時(shí)，櫓板的一面總是與運(yùn)動(dòng)方向（即櫓板劃水時(shí)向兩側(cè)的運(yùn)動(dòng)方向）有一夾角。

這個(gè)夾角也叫迎角或攻角。迎角效應(yīng)使櫓板產(chǎn)生了垂直于櫓板朝兩側(cè)運(yùn)動(dòng)的方向的升力，也就是推動(dòng)櫓船的力。往下我們會(huì)用帶迎角的小石片來說明為何會(huì)產(chǎn)生升力。

當(dāng)然，除了與運(yùn)動(dòng)方向垂直的升力，也存在與運(yùn)動(dòng)方向相反的阻力，尤其是摩擦阻力。但迎角適當(dāng)?shù)脑挘梢员茸枇Υ?0倍左右。櫓手搖櫓時(shí)，主要朝（櫓板在水下運(yùn)動(dòng)的方向）相反的方向發(fā)力，這樣櫓手就只需要克服櫓板較小的阻力，卻在櫓板上產(chǎn)生了較大升力。另外，這個(gè)升力方向指向船前進(jìn)的方向，對(duì)船的行駛而言，這就是推力。

因此，搖櫓手只需要付出較小的體力，就可以產(chǎn)生較大的推力。這就是櫓省力的原因。產(chǎn)生升力的迎角效應(yīng)有一定的普適性，下面用飛行的石片做通俗的解釋。

迎角的升力效應(yīng)（圖1.13）

設(shè)想有一塊扁平的石塊，某時(shí)刻，其飛行方向與石片有一夾角，即上面所說的迎角。假定迎角不太大，比如說10度左右。

飛行時(shí)迎著飛行方向的那一面稱為迎風(fēng)面，迎面撞擊空氣，當(dāng)然會(huì)產(chǎn)生正壓，于是迎風(fēng)面也可以稱為壓力面。另一面需要拖著空氣走，因此很難產(chǎn)生正壓，一般會(huì)產(chǎn)生負(fù)壓，故稱為吸力面。這個(gè)道理與前面介紹的非扁平石頭迎風(fēng)面產(chǎn)生正壓和背風(fēng)面產(chǎn)生負(fù)壓的道理是相似的。

可是，如果僅有迎風(fēng)面的正壓和背風(fēng)面的負(fù)壓，那么正壓與負(fù)壓的合力就垂直于石片，而不是垂直于飛行方向。牛頓就認(rèn)為石片受的合力垂直于石片。實(shí)際上，這種氣壓差帶來的合力近似垂直于飛行方向，是與重力方向相反的升力。

原來，飛行的石片迎面撞擊空氣時(shí)，前方被推動(dòng)的空氣有一部分繞過前緣到了背風(fēng)面。繞過去時(shí)要拐很大的彎，從而感受到較大的指離前緣的離心力。這個(gè)離心力抵消了一部分當(dāng)?shù)貧鈮海虼私o前緣施加負(fù)壓，產(chǎn)生吸力。前緣吸力指離前緣，與迎風(fēng)面的正壓與背風(fēng)面的負(fù)壓形成的合力，令人不可思議地近似地垂直于飛行方向，即這種合力就是升力。

有一點(diǎn)就想不明白了，如果前緣很尖細(xì)，那么提供的吸力能大到哪里去？原來，前緣越尖細(xì)，那么拐外越急，離心力就越大。因此，合起來的吸力就那么大。問題是，迎風(fēng)面、背風(fēng)面和前緣產(chǎn)生的合力為何偏偏與運(yùn)動(dòng)方向垂直？道理是這樣的，既然合力不會(huì)垂直于石片了，那垂直于什么，才能用最簡單的語言可以表述？自然規(guī)律追求簡單、簡約、簡美，如果什么語言表述最簡練最可理解，那么規(guī)律就能用這個(gè)語言表述。想來想去，沒有比垂直于運(yùn)動(dòng)方向這種描述更省勁了。自然就說，那就垂直于運(yùn)動(dòng)方向吧。于是，這個(gè)力就真的垂直于運(yùn)動(dòng)方向。

當(dāng)然，物理學(xué)家能用物理學(xué)滿足的基本規(guī)律（如牛頓定律）并借用數(shù)學(xué)推演，證明這個(gè)結(jié)果。我們既然能以剛才懶惰的邏輯來指明結(jié)果應(yīng)該是那樣，何必在這里翻開連科學(xué)家都費(fèi)勁才能搞清楚的推演？

如果迎角適合，那么石片受到的阻力（指與飛行方向相反的力）主要只有摩擦阻力。上面的氣壓差主要貢獻(xiàn)升力。

這就是迎角產(chǎn)生升力的本質(zhì)原因。飛行的石片、船的櫓板、推進(jìn)用的螺旋槳、飛機(jī)的機(jī)翼、鳥的翅膀、噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)的葉片，甚至飄落的樹葉，都是靠這種迎角產(chǎn)生氣壓或水壓差，形成所需要的合力。對(duì)于飛行，這個(gè)壓差形成的合力是升力。對(duì)于推進(jìn)的葉片，這個(gè)力是推進(jìn)力。對(duì)于舵面，這個(gè)力就是用于操縱方向的力。

適當(dāng)?shù)挠悄墚a(chǎn)生升力，但迎角太大則物極必反。最糟糕的情況就是橫著飛，即迎風(fēng)面與飛行方向垂直，此時(shí)如同前面提到的石頭，只有阻力沒有升力了。于是必然有一個(gè)最佳迎角，使升力最大。鳥翅膀的最佳迎角一般在12度左右，一般飛機(jī)機(jī)翼的迎角也接近這個(gè)數(shù)。

當(dāng)然，石片邊緣的其他部分不會(huì)像前緣這樣提供恰到好處的吸力，使真實(shí)的氣壓差的合力也貢獻(xiàn)一部分阻力，但這不影響對(duì)迎角產(chǎn)生升力的本質(zhì)理解。

迎角的抬頭效應(yīng)

我們都知道如何更輕易地去掀翻或推倒一個(gè)物體，這比移動(dòng)一個(gè)物體更容易。我們熟悉的杠桿原理就是一種四兩撥千斤的方法。用專業(yè)一點(diǎn)的語言，就是力矩效應(yīng)可以使物體改變姿態(tài)。你去推一件物體的重心，物體會(huì)移動(dòng)但不倒。如果你在偏離物體重心的位置推物體，物體就轉(zhuǎn)動(dòng)或改變姿態(tài)。推力偏離重心越遠(yuǎn)、越容易改變姿態(tài)。推磨盤就是這個(gè)原理。

機(jī)翼或小石片在氣流中帶迎角運(yùn)動(dòng)，產(chǎn)生的升力一般不會(huì)作用在它們的重心上。由于是機(jī)翼的前緣主動(dòng)去撞擊前方的空氣，因此迎角效應(yīng)集中在離前緣不遠(yuǎn)的地方，于是產(chǎn)生的升力作用在離前緣不遠(yuǎn)的地方，即一般在中心點(diǎn)（即重心）與前緣連線的某位置上。由于升力在重心之前，與重力不作用在一個(gè)點(diǎn)上，而是作用在試圖迫使機(jī)翼抬頭的點(diǎn)上。于是，迎角效應(yīng)產(chǎn)生了所謂的抬頭力矩。飛行的石片如此，飛機(jī)的機(jī)翼和發(fā)動(dòng)機(jī)的葉片也是如此。

如果你扔一塊石片，那么飛行過程中稍有偏轉(zhuǎn)，就會(huì)產(chǎn)生由迎角效應(yīng)帶來的抬頭力矩，于是石片可能改變姿態(tài)甚至翻滾。為了姿態(tài)更穩(wěn)定，可以在將石片甩出去的時(shí)候，用手指帶動(dòng)石片旋轉(zhuǎn)，看看旋轉(zhuǎn)的石片是否飛得更穩(wěn)定。

翼尖渦與槳葉渦（圖1.14）

通過帶迎角來獲得升力的翅膀會(huì)在下表面產(chǎn)生正壓，上表面產(chǎn)生負(fù)壓。這種正負(fù)壓差居然導(dǎo)致在翅膀兩側(cè)的翼尖附近出現(xiàn)一對(duì)往下游延伸的、旋轉(zhuǎn)方向相反的旋渦。

劃船槳時(shí)，在槳尖也會(huì)產(chǎn)生一對(duì)旋渦，道理是一樣的。

原來，機(jī)翼下表面的氣壓比機(jī)翼外側(cè)的環(huán)境氣壓高，于是會(huì)向翅膀外側(cè)吹氣。機(jī)翼上表面的氣壓比機(jī)翼外側(cè)環(huán)境氣壓低，于是會(huì)向翅膀內(nèi)側(cè)吹氣。

這樣形成的吹氣方向相反的氣流，到了機(jī)翼下游直接接觸后，就變成了氣流相互搓動(dòng)。不同方向的氣流相互搓動(dòng)，就會(huì)卷起旋渦，就像你用兩個(gè)手掌通過向相反方向運(yùn)動(dòng)搓搟面杖，搟面杖會(huì)旋轉(zhuǎn)一樣。你雙手拋籃球時(shí)，往相反方向轉(zhuǎn)一下掌，籃球就會(huì)轉(zhuǎn)起來，道理是一樣的。其實(shí)，你單手也都能這樣將籃球轉(zhuǎn)起來，只是雙手更容易做到。

機(jī)翼每一側(cè)的翼尖都有同樣的效應(yīng)，因此就會(huì)出現(xiàn)一對(duì)旋轉(zhuǎn)方向相反的旋渦。這等價(jià)于說，由于機(jī)翼上表面是低壓，機(jī)翼下方的高壓驅(qū)動(dòng)氣體翻到上面去，于是就形成了翻轉(zhuǎn)渦。這與拐彎渦不同。

對(duì)于飛機(jī)，這對(duì)翼尖渦會(huì)將云層卷起，在飛機(jī)下游很遠(yuǎn)的地方都能看到。由于旋渦來自于機(jī)翼上下表面氣壓差，因此越大的飛機(jī)，升力越大或者說機(jī)翼上下表面的氣壓差越大，翼尖旋渦就越大越強(qiáng)。