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Newtonian理论

    什么是Newtonian理论?

    Isaac Newton指出:对于任何一个作用力,都会随之产生一个大小相等、方向相反的反作用力,即牛顿第三定律。你可以看到一个很好的例子明白这一点:两位冰上芭蕾者,当他们中的一方推另一方时,两个人会同时移动。一个人受的是作用力,另一个人受的是是反作用力。

    在17世纪晚期,Isaac Newton指出:空气分子以独立微团的形式运动,空气就会撞击机翼的下表面如同霰弹枪将无数小球射击到一片金属板上。每个独立的粒子撞击机翼下表面,并且被反弹开来,与此同时它们也将自己的动量传递给机翼,以每个分子的冲击的积累逐渐将机翼托起。

    注意:事实上,牛顿关于流体的理论也为海军的作战做出了贡献,它们可以帮助水中的舰船更好地减少阻力。虽然目标是建造一艘更快的舰只,而不是一架更好的飞机,但这些理论同样适用。既然水和空气同属于流体。

为什么这个理论不是完全正确的?

   Newtonian理论为我们提供了一个非常直观的图像,机翼是如何改变流经它的气流方向的,但也有一些例外。
    1. 机翼的上表面在图片当中被完全遗漏了,事实上机翼上表面在改变流体方向上是有很大作用的。当仅有机翼的下表面被考虑时,最终的升力值是非常不精确的。
    2. 差不多在牛顿关于船体的理论诞生100年之后,一个叫Leonhard Euler的人发现:流体在向一个物体运动时,甚至在它接触到表面之前,就会发生偏转,有时几乎都没有接触到表面的机会。这点可以看出空气分子毕竟不像霰弹枪的枪子。相反,在某种程度上空气分子之间还在以难以预测的方式相互作用、相互影响着。这种影响还要远远扩展至包裹住整个机翼那么大的范围。

为什么这个理论也不是完全错误的?

    虽然在常规的飞行状态下,一个纯粹的Newtonian理论并不能得出准确的升力值,譬如一架喷气客机的飞行中。但该理论在某些飞行状态中却能有尚佳表现,譬如在高超音速飞行状态下,速度超过5倍音速时,Newtonian理论确实是正确的。在高速低气流密度的情况下,空气分子确实是像牛顿所描述的那样如同枪子般运动的。太空梭的再入阶段就是在这种条件下进行操作的。不同于Longer Path理论,Newtonian理论预言了气流在通过机翼的时候将会向下偏离。虽然这未必是由于分子撞击机翼的下表面使空气向下偏离,而是一种叫做下洗的现象所造成的。(更多有关下洗的内容参见NASA: Glenn Research Center)


 


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