在武侠小说中,我们经常能看到轻功的描写,非常优美,激动人心。轻功高手们或蜻蜓点水、动静无常,或踏雪无痕、飘忽若神,令人神往。小时候,我们可能也梦想着练就绝世轻功,双脚一点,凭空飞起。学过力学后才知道,人类在不借助外物的情况下,不可能具有像小说中大侠那样的轻功。鸟类或者飞行器之所以能在天空翱翔,是持续产生了大于自身重力的升力。
图1.武侠剧中大侠的轻功
尽管很多航空先驱发现了很多产生升力的现象,也利用十分简陋的风洞设备设计出了能产生升力的机翼,但由于理论与设计实践严重脱节,往往知其然,不知其所以然,无法从理论上发现升力的本质。有趣的是,为飞机翼型升力理论提供重要“线索”的,却是广为流行的网球运动。
图2.网球运动
牛顿早在17世纪观看剑桥学院网球选手的比赛时发现了弧线球现象,并对网球自转和弧线球之间相互关系提出了相当深刻的解释。作为网球爱好者的法国物理学家马格努斯,深谙弧线球技巧,对网球的运动开展过比较系统的分析。年,他用带旋转圆筒模拟网球的转动,进行了一个著名的试验,当鼓风机里产生气流出来时,他观察到置于其中的旋转圆筒,受到横向力从而产生一个强烈的横向偏差,这就是马格努斯效应。
图3.旋转球的受力及运动分析
图4.旋转球流场分析
年,英国数学家瑞利发表了《论网球的不规则运动》的经典论文,文中用伯努利原理解释了马格努斯效应,由于网球旋转带动周围气流的旋转,使得网球一侧的气流速度增加,压强减小,另一侧气流速度减小,压强增加。这样就导致旋转的网球形成压力差,产生与网球运动方向相垂直的横向力,最后改变网球的飞行方向。有环量圆柱绕流产生横向力的理论,为飞机机翼升力理论的建立提供了重大突破口。
图5.圆柱绕流理论
为了解释弯曲翼型在没有迎角时也会产生升力,年德国数学家库塔和年俄国物理学家儒可夫斯基分别提出启动涡和翼型环量假设,将有环量圆柱绕流升力计算公式推广到任意形状物体的绕流,提出对于任意形状物体的绕流,只要存在速度环量,就会产生升力,升力方向沿着来流方向按反环量旋转90°,后人称为库塔、儒可夫斯基升力环量定律;年儒可夫斯基利用复变函数的保角变换法研究了理想流体翼型定常绕流,提出著名的儒可夫斯基翼型理论,在空气动力学和飞机发展史上具有划时代的意义。