翼型系列 1：機翼升力原理

機翼產生升力的原理並沒有那麼複雜，相反的實在太過於簡單。 坊間一堆人會對著飛機機翼那奇妙的剖面形狀來論述一番， 然而這些神奇的剖面形狀雖然對升力的產生有提高效率的效果， 卻與升力的產生本身沒有關係，也不是產生升力的必要因素； 實務上，就算你隨便拆下一扇門版來當成機翼使用，它依然產生升力。 探究氣流在吹過機翼之後為什麼就產生升力的問題，升力產生的根本原因其實就是： 「機翼偏轉了氣流，改變了氣流的方向。」 換句話說，機翼對氣流施加了力量從而使得氣流向下發生偏轉， 而受力偏轉的氣流反向給機翼施加了一個等量的反作用力，此即為升力的來源，同時也是阻力的大宗成份。

如上圖(Figure 1 圖左)所示， 想想看，管道裡的氣流平行從左往右吹過去，在經過出口的一排葉片之後，氣流會發生什麼變化？ 是不是氣流在經過這排葉片之後，就幾乎全部被偏轉向下了呢？ 像這樣的流場裝置其實在大家的生活裡經常可以看到，因為這就是冷氣機出風口的導氣葉片， 大家都見過，也都很容易直覺理解。

你覺得管道導氣葉片和飛機機翼相差甚遠嗎？ 那如果我們拆走一些導氣葉片的話，你覺得氣流會有什麼不一樣嗎？ 如上圖(Figure 1 圖中)減少了導氣片的數量，也許因此導致導氣轉向的效果降低了， 但是這排葉片的導氣效果依然存在，而且偏轉氣流的原理機制依然是一樣的。 繼續減少導氣葉片直到如上圖(Figure 1 圖右)只剩下一片葉片，看這不就是和一片機翼一樣的東西了嗎？ 只有一片葉片，它仍然具有折氣的現象，即便這個現象會弱化到不太容易明顯的觀察出來。

現在我們回來看看另一張圖片(Figure 2)， 從飛機側面看過去可以明顯發覺它的機翼並不是呆板的平板一片， 而是帶點神奇弧度、型似剖半水滴的形狀，這就是我們通常所說的機翼剖面形狀。 然後一堆人就會拿著這個形狀，用各種似是而非的說法去試圖解釋升力的原理， 但是因為理解錯誤，所以怎麼樣都會有一些無法解釋的盲點，最後只好歸因於魔法了！

所以我們首先要跳脫這個框架陷阱，這裡我就直接告訴你，升力產生的原因和這個形狀並沒有關係！ 你可以把這個形狀上下翻倒過來倒著飛，它一樣能產生升力； 就算再把它前後方向也轉過來顛倒著頭尾來飛，它依然會產生升力。 你甚至可以把它換成其他各種奇怪的形狀，只要它還具有導流轉向的作用，它就能夠產生升力； 至於產生升力的效果大或小、帶來的副作用如阻力是多或少等等， 那就是另外的問題了，是流場效果最佳化的問題， 而事實上那才是為什麼我們通常看到的機翼剖面會長成那個樣子的真正原因。

前面說過，機翼產生升力的最主要原因在於改變了氣流的方向，因此機翼這片板子必須要和氣流存在一個夾角， 有了這個角度的存在，機翼才能折彎氣流的行進方向。 這個夾角就被稱為「攻角」(Angle of Attack (AOA))， 正的攻角表示機翼往上抬起，而負攻角表示機翼往下低頭。

一個帶攻角的機翼如何偏折空氣而產生升力呢？ 我們先將機翼上下的兩團空氣簡化為上下兩個質量塊，也就是圖中的法碼 A 和法碼 B。 假設它們質量各為 1 kg，並以 10 m/s 的速度衝向一片帶有 30 度攻角的機翼。

A 法碼很容易理解，它撞擊到機翼的下表面後被機翼偏轉了方向，改為往下 30 度的方向繼續前進。 這裡要注意一點，我們為了簡化的緣故而用法碼代替一坨空氣， 因此它不是像乒乓球打到球拍那樣反彈，而是在碰撞之後偏折為和機翼同一個方向離去。 離開了機翼的法碼速度為 10 m/s 並方向為 30 度往下， 我們可以把它分解為水平速度 0.866 m/s 和垂直的速度 0.5 m/s， 我們可以藉由牛頓運動公式 F = M*V2 - M*V1， 算出機翼受到了向上的升力 5 N 和向後的阻力 1.34 N。

機翼下表面偏轉了空氣所產生的升力就是機翼全部的升力了嗎？ 並不是，因為我們容易忽略了機翼上表面也能夠吸引氣流往下。 機翼上表面一樣可以把空氣吸下來，這就是圖示裡法碼 B 的那部份。 從機翼上表面過去的法碼 B 所代表的一坨空氣也會被吸引偏折往下，它與下表面法碼一樣往下偏折了 30 度， 那麼它產生的升力和阻力也就和法碼 A 是一樣的。 因此機翼最終受到的升力和阻力，就是兩個法碼對它產生的力的和，是 10 N 的升力和 2.68 N 的阻力。 這個數字其實並不重要，它與實際上的數值差異相當大，因為中間我們簡化了太多的東西。 不過這只是為了用來解釋最核心的原理邏輯而為之，我們後面會再把它愈來愈複雜的部份慢慢加回來。

這裡我們還要注意另外一個重要的現象。 在前面的示例中我們假設的是一個超完美的情況，沒有摩擦、也沒有任何損耗，僅僅只是讓空氣轉向了而已。 然而就是這麼樣一個完美的流氣轉向，它在垂直方向的加速度給我們帶來了我們想要的升力， 而水平方向的加速度卻同時給我們帶來了阻力。 這告訴我們在機翼產生的阻力裡面，至少有這麼一部份的阻力是伴隨著升力而產生的，不可能完全消除。 我們可以花費各種巧思去減少其它成份的阻力，例如打磨光亮使空氣摩擦產生的阻力減到最低等， 但對於這個因為產生了升力而伴隨出來的阻力則沒什麼好方法去阻止它， 因為它之所以產生的原因正好就是升力產生的原因。 若要減少這種因為升力而伴隨的阻力，則只能同步降低升力；若要完全消除這種阻力，則它必然無法產生升力！

目前為止我只是解釋了最核心的升力原理，但是如果照這麼計算的話，就會發現和現實有很大的落差， 這是因為原理雖然是這個原理，但是真正的空氣卻也並不是硬梆梆的兩塊硬物。 那麼為了解釋發生在機翼上面的各種空氣流體現象，我們就得一步一步更加了解真實的空氣。

真實的空氣肯定不是一坨硬物，空氣其實是一大堆自由活動的粒子，也就是空氣分子。 但是空氣分子實在是太小了，干擾我們對空氣流動的理解，我們可以把它想成是大一點的沙粒顆粒。 這些顆粒之間彼此具有一定的吸引力， 所以如果你把一部份空氣粒子拉走了，旁邊會有一部份粒子也像是被黏著一樣跟著跑， 然後更遠的其他空氣粒子就會想過來補充這個空出來的空間。 空氣顆粒之間雖然互相吸引，但如果距離太近的話它們也會互相排斥， 所以如果你把一部份空氣粒子捏在一起，它們就會很難受的想推開你的手往外衝， 只要你手一放開了它們就會用力竄出去。

那麼我們把剛剛的條件，就是機翼上下兩塊大法碼的假設，更換成上圖(Figure 5)那樣上下一整排的小法碼。 那麼機翼下面的法碼 A1 的行為其實就和我們之前的設想應該是完全一樣的， 而法碼 A2 也因受到法碼 A1 的推擠而往下轉向， 只不過這種間接影響力打了個折扣，所以 A2 的轉向效果比 A1 更少一些。 後面 A3 也同樣受到 A2 推擠而轉向，不過受的影響更少，再後面 A4、A5…​…​ 都可類推， 到了 An 的時候因為距離已經很遠，所以幾乎沒受到影響。 機翼上面的一整排法碼也是一樣的，B1 被吸引下來沿著機翼上表面轉向， B2 同樣受到影響但打了個折，然後 B3、B4…​…​ 以此類推， 直到 Bn 才像個沒事人一樣幾乎不受影響。 最後把 A1 到 An、以及把 B1 到 Bn 的法碼們受到的力加總起來，就是更接近真實情況的機翼升力了， 雖然離真正的真實情況還是有點距裡，不過只少比其前一個只有 A、B 兩法碼的假設之下是準確多了。

而這裡也解釋了為什麼法碼 A1 沒有在撞擊到機翼之後走反彈路徑，而是貼著機翼下表面走？ 這就是因為它被 A2 的推擠壓力給頂回去了； 同樣 A2 和 A1 碰撞之後也沒有走反彈路徑，也是因為 A3 的存在而造成的。

更進一步，除了在上下方向上的空氣會互相影響之外， 其實前後方向的空氣粒子也同樣會彼此產生影響和干擾， 比如後面的空氣慢下來了，前面的空氣也會跟著提前慢下來、或者提前轉向； 當然後面的空氣若加速跑了，前面的空氣其實也會受影響而開始加速， 或者附近的空氣會開始轉向朝這裡填補進來。 所以我們進一步把代表空氣粒子的法碼們像上圖(Figure 6)一樣佈滿在整個空間中， 然後計算彼此互相的影響並加總，就能得出更加接近真實的結果。 當然這樣的計算已經有點複雜了，不再是簡單手算就能夠應付過來的。

現在來看看這張在實際風洞實驗中拍攝出來的流線圖， 它在吹氣的源頭加入了煙霧標記，使我們可以用眼睛看見本來難以觀察的空氣流動走向。 圖片上面標註的 A 和 B 區正好對應了先前把空氣假設為一排法碼所表現的樣子， 而 C 區也清楚的展示了空氣擾動會往氣流上游方向傳遞的特性， 即使這部份的空氣還沒有真正接觸到機翼，卻已經提前開始受到影響而轉向了。 尤其 C 區展現出來的現象特別重要，因為一般直覺上我們只知道上游的擾動會影響改變下游的氣流， 生活上卻比較少注意和感受氣流下游的擾動使上游發生變化的這個部份。

至此我們了解了機翼產生升力的原因是來自於轉向了氣流， 也透過一些簡單的物理原理來示範和計算空氣的作用力。 請不要太小看這樣簡單的計算，因為事實上這就是基於空氣粒子的空氣動力模擬計算雛型。 然而在解釋了升力原理之後，我想讀者腦中一定會浮現出更多的問題， 比如「你說升力和那個形狀沒有關係，那為什麼人家機翼要造成那個形狀？」等等。 因此，下一篇我將要來繼續探討那些空氣發生在機翼上面的故事……