07.04 1.2 飛行原理：空氣動力學基礎

1.2.1 牛頓運動定律

牛頓運動定律包括三條定律：牛頓第一運動定律、牛頓第二運動定律和牛頓第三運動定律，並由艾薩克·牛頓(Isaac Newton)在1687年於《自然哲學的數學原理》一書中總結提出。其中，第一定律說明了力的含義：力是改變物體運動狀態的原因；第二定律指出了力的作用效果：力使物體獲得加速度；第三定律揭示出力的本質：力是物體間的相互作用。

牛頓運動定律適用範圍是經典力學範圍，適用條件是質點、慣性參考系以及宏觀、低速運動問題。牛頓三大運動定律構成了牛頓力學的完整體系，描述了經典力學中基本的運動規律，廣泛應用在各領域。

圖1 牛頓運動定律

1.2.2 Magnus 效應

1852年，德國物理學家和化學家海因裡希.古斯塔夫. 馬格努斯(Herinrich Gustav Magnus，1802-1870)對旋轉球體和圓柱體的氣動力進行了實驗研究，並描述了這一效應（牛頓在1672年已經提到過關於球體的這種效應）。這種效應可以有利於飛機升力的解釋。

Magnus效應可以描述為：如圖2，在A點，這裡有一個停滯點，氣流在這裡遇上機翼的前表面並分開，一部分氣流向上，一部分氣流向下。B為另一個駐點，兩股氣流在這裡重新匯合，並以相同的速度重新開始流動。從側面觀察，機翼前緣產生了升力而在後緣產生向下的力。在圖2情況下，氣流在翼面的上部速度最快且在底部的速度最小。由於該速度和研究的物體有關，叫做局部速度。Magnus效應被廣泛應用於機翼或其他升力面。因為在機翼的上下表面氣流速度不同，從而導致了機翼下表面壓力大，上表面壓力小。這個低壓區會產生一個向上的力，這種物理現象就叫做Magnus效應，也即一個物體的旋轉會影響流過它的氣體的路徑，包括空氣。

圖2 Magnus效應

1.2.3 壓力的Bernoulli原理

Bernoulli原理的實踐應用是文氏管。文氏管的入口比喉部直徑大，出口部分的直徑也和入口一樣大。在喉部，氣流速度增加，壓力降低；在出口處，氣流速度減小，壓力增大(圖3)。

機翼產生升力的原因和原理與空氣產生的Bernoulli規律有關：隨著機翼在空中的移動，流過機翼上部彎曲表面的氣流速度加快，並形成一個低壓區。

圖3 壓力的Bernoulli原理

儘管牛頓、馬格努斯、伯努利以及其他無數的早期科學家們研究宇宙的規律時沒有我們今天如此先進的實驗室，但他們對當代升力產生的理論卻提供了巨大的指導，並有著深刻的影響。