4．省力的橹与飞行的秘密 迎角的升力与抬头效应

我们都有这样的常识，飞机与鸟之所以能在空中飞行，是因为飞行的机翼与翅膀能产生升力。可是，很少人知道，机翼和翅膀产生升力的方式或者说原理，居然和公元前汉代发明的橹在摇动时产生推进力的原理完全一样。不知是否可以说，是汉代的人最早掌握了飞行的本质原理。据说受橹的启发，英国人发明了螺旋桨，美国人改进了游泳运动员的姿势。这个秘密就在迎角，即扁平的物面与运动方向有夹角。迎角使扁平物体的一面被水流（或气流）撞击，一面被水（或空气）拉扯，产生推进力或升力。

船橹的秘密（图1.11、图1.12）

宋代慧远禅师的《点绛唇》曰：“来往烟波，此生自号西湖长。轻风小桨，荡出芦花港。得意高歌，夜静声偏朗，无人赏。自家拍掌，唱彻千山响。”可见一边划船还能一边唱歌欣赏美景，这说明划船的桨叶还是比较省力的。

船夫有三篙不抵一棹、一橹抵三棹之说。可见，橹的效率最高。人们可能认为橹利用了仿生学原理，仿照了鱼尾，通过像鱼摆尾一样摇摆橹来产生推动船前行的力。事实上，橹不是像鱼摆尾那样通过摇摆获得推力，而是利用了神奇的迎角效应，与机翼产生升力的道理一致。

东汉刘熙在《释名》一书中就提到了橹，尤其指出橹在摆动时能产生力，且力沿着船脊方向。船橹一般通过支点固定在船尾，握手的橹把则通过橹绳与船缘链接，可以在不用的时候稳定船橹并配合橹手左右摇动橹把。摇橹手面朝船的一侧，向船的两侧方向摇动船橹，使在水中的橹板朝船的两侧来回划水。橹手通过转动橹柄，使橹板在来回划水时，橹板的一面总是与运动方向（即橹板划水时向两侧的运动方向）有一夹角。

这个夹角也叫迎角或攻角。迎角效应使橹板产生了垂直于橹板朝两侧运动的方向的升力，也就是推动橹船的力。往下我们会用带迎角的小石片来说明为何会产生升力。

当然，除了与运动方向垂直的升力，也存在与运动方向相反的阻力，尤其是摩擦阻力。但迎角适当的话，升力可以比阻力大10倍左右。橹手摇橹时，主要朝（橹板在水下运动的方向）相反的方向发力，这样橹手就只需要克服橹板较小的阻力，却在橹板上产生了较大升力。另外，这个升力方向指向船前进的方向，对船的行驶而言，这就是推力。

因此，摇橹手只需要付出较小的体力，就可以产生较大的推力。这就是橹省力的原因。产生升力的迎角效应有一定的普适性，下面用飞行的石片做通俗的解释。

迎角的升力效应（图1.13）

设想有一块扁平的石块，某时刻，其飞行方向与石片有一夹角，即上面所说的迎角。假定迎角不太大，比如说10度左右。

飞行时迎着飞行方向的那一面称为迎风面，迎面撞击空气，当然会产生正压，于是迎风面也可以称为压力面。另一面需要拖着空气走，因此很难产生正压，一般会产生负压，故称为吸力面。这个道理与前面介绍的非扁平石头迎风面产生正压和背风面产生负压的道理是相似的。

可是，如果仅有迎风面的正压和背风面的负压，那么正压与负压的合力就垂直于石片，而不是垂直于飞行方向。牛顿就认为石片受的合力垂直于石片。实际上，这种气压差带来的合力近似垂直于飞行方向，是与重力方向相反的升力。

原来，飞行的石片迎面撞击空气时，前方被推动的空气有一部分绕过前缘到了背风面。绕过去时要拐很大的弯，从而感受到较大的指离前缘的离心力。这个离心力抵消了一部分当地气压，因此给前缘施加负压，产生吸力。前缘吸力指离前缘，与迎风面的正压与背风面的负压形成的合力，令人不可思议地近似地垂直于飞行方向，即这种合力就是升力。

有一点就想不明白了，如果前缘很尖细，那么提供的吸力能大到哪里去？原来，前缘越尖细，那么拐外越急，离心力就越大。因此，合起来的吸力就那么大。问题是，迎风面、背风面和前缘产生的合力为何偏偏与运动方向垂直？道理是这样的，既然合力不会垂直于石片了，那垂直于什么，才能用最简单的语言可以表述？自然规律追求简单、简约、简美，如果什么语言表述最简练最可理解，那么规律就能用这个语言表述。想来想去，没有比垂直于运动方向这种描述更省劲了。自然就说，那就垂直于运动方向吧。于是，这个力就真的垂直于运动方向。

当然，物理学家能用物理学满足的基本规律（如牛顿定律）并借用数学推演，证明这个结果。我们既然能以刚才懒惰的逻辑来指明结果应该是那样，何必在这里翻开连科学家都费劲才能搞清楚的推演？

如果迎角适合，那么石片受到的阻力（指与飞行方向相反的力）主要只有摩擦阻力。上面的气压差主要贡献升力。

这就是迎角产生升力的本质原因。飞行的石片、船的橹板、推进用的螺旋桨、飞机的机翼、鸟的翅膀、喷气发动机的叶片，甚至飘落的树叶，都是靠这种迎角产生气压或水压差，形成所需要的合力。对于飞行，这个压差形成的合力是升力。对于推进的叶片，这个力是推进力。对于舵面，这个力就是用于操纵方向的力。

适当的迎角能产生升力，但迎角太大则物极必反。最糟糕的情况就是横着飞，即迎风面与飞行方向垂直，此时如同前面提到的石头，只有阻力没有升力了。于是必然有一个最佳迎角，使升力最大。鸟翅膀的最佳迎角一般在12度左右，一般飞机机翼的迎角也接近这个数。

当然，石片边缘的其他部分不会像前缘这样提供恰到好处的吸力，使真实的气压差的合力也贡献一部分阻力，但这不影响对迎角产生升力的本质理解。

迎角的抬头效应

我们都知道如何更轻易地去掀翻或推倒一个物体，这比移动一个物体更容易。我们熟悉的杠杆原理就是一种四两拨千斤的方法。用专业一点的语言，就是力矩效应可以使物体改变姿态。你去推一件物体的重心，物体会移动但不倒。如果你在偏离物体重心的位置推物体，物体就转动或改变姿态。推力偏离重心越远、越容易改变姿态。推磨盘就是这个原理。

机翼或小石片在气流中带迎角运动，产生的升力一般不会作用在它们的重心上。由于是机翼的前缘主动去撞击前方的空气，因此迎角效应集中在离前缘不远的地方，于是产生的升力作用在离前缘不远的地方，即一般在中心点（即重心）与前缘连线的某位置上。由于升力在重心之前，与重力不作用在一个点上，而是作用在试图迫使机翼抬头的点上。于是，迎角效应产生了所谓的抬头力矩。飞行的石片如此，飞机的机翼和发动机的叶片也是如此。

如果你扔一块石片，那么飞行过程中稍有偏转，就会产生由迎角效应带来的抬头力矩，于是石片可能改变姿态甚至翻滚。为了姿态更稳定，可以在将石片甩出去的时候，用手指带动石片旋转，看看旋转的石片是否飞得更稳定。

翼尖涡与桨叶涡（图1.14）

通过带迎角来获得升力的翅膀会在下表面产生正压，上表面产生负压。这种正负压差居然导致在翅膀两侧的翼尖附近出现一对往下游延伸的、旋转方向相反的旋涡。

划船桨时，在桨尖也会产生一对旋涡，道理是一样的。

原来，机翼下表面的气压比机翼外侧的环境气压高，于是会向翅膀外侧吹气。机翼上表面的气压比机翼外侧环境气压低，于是会向翅膀内侧吹气。

这样形成的吹气方向相反的气流，到了机翼下游直接接触后，就变成了气流相互搓动。不同方向的气流相互搓动，就会卷起旋涡，就像你用两个手掌通过向相反方向运动搓擀面杖，擀面杖会旋转一样。你双手抛篮球时，往相反方向转一下掌，篮球就会转起来，道理是一样的。其实，你单手也都能这样将篮球转起来，只是双手更容易做到。

机翼每一侧的翼尖都有同样的效应，因此就会出现一对旋转方向相反的旋涡。这等价于说，由于机翼上表面是低压，机翼下方的高压驱动气体翻到上面去，于是就形成了翻转涡。这与拐弯涡不同。

对于飞机，这对翼尖涡会将云层卷起，在飞机下游很远的地方都能看到。由于旋涡来自于机翼上下表面气压差，因此越大的飞机，升力越大或者说机翼上下表面的气压差越大，翼尖旋涡就越大越强。