距离人类第一次驾驶受控的动力飞行器飞上天，已经过去100多年了。
莱特兄弟的第一次，总共只有12秒……
100多年后，现在每天飞上天的航班，就超过了10万架次！
但是你可能想不到的是，飞机靠什么能在天上飞，人类至今都没搞清楚！
什么让飞机可以在空中飞行？2003年，飞机发明100周年的时候，《纽约时报》曾经进行过一次报道。
当时美国国家航空航天博物馆空气动力学分馆馆长约翰·安德森（John D. Anderson）说，是什么产生飞机的升力——也就是空气动力，实际上并无定论。
现在，十几年又过去了，对于升力是怎么产生的，有最终的结论了吗？
两种升力理论
飞机的升力问题，实际上存在于两个领域。一个是严格的数学理论的领域，人们用各种方程、符号、计算机模拟和数字这些东西来对升力进行分析。
对于正确的方程式或它们的解，人们在这些方面几乎没有什么严重的分歧。技术数学理论的目的是做出准确的预测，然后让航空工程师运用这些预测结果，进行复杂的飞机设计工作。
升力问题还有第二种非技术层面的分析，这种分析的目的是提供有关升力的物理常识性解释，使我们对将飞机保持在高空而不会掉下来的实际作用力和因素有一个直观的了解。
这种方法跟数字和方程式的关系不大，而是存在于我们熟悉和理解的概念和原理的层次上。
其实，关于升力的争议，存在于这第二个的非技术层面。
在这个领域，解释升力问题，有两种常见的理论。这两种理论本身都是正确的。
但是，它们都不完整，不能完全解释控制空气动力的所有基本力、因素和物理条件，也不能解决所有悬而未决、无法解释或未知的问题。
那么，能够完整解释升力的理论，存在吗？
迄今为止，对升力最流行的解释是伯努利定理，这是瑞士数学家丹尼尔·伯努利（Daniel Bernoulli）在他1738年的论文《流体力学》中确定的原理。
伯努利一家子都是学霸。他父亲约翰为微积分做出了贡献，他叔叔雅各布创造了“积分”一词。
丹尼尔·伯努利的贡献主要与流体流动有关。空气就是一种流体，伯努利定理就是流体力学的基本原理之一。
简单来说，伯努利定理就是说，流体的压力随着速度的增加而减小，反之亦然。
伯努利定理解释了由于机翼弯曲的上表面而引起的升力。由于这种曲度，穿过机翼上部的空气移动的速度比沿着机翼下部平面的空气移动的速度快。
伯努利定理说，机翼上方速度的提高与那里较低压力的区域有关，这就是升力。
有大把实验验证了伯努利原理的正确性。这其中包括著名的文丘里管实验，流过粗细不等的玻璃管的空气在细端的速度变快，导致其附近压强较小，从而产生吸附效应。
尽管如此，仍有许多原因使伯努利定理本身不能完全构成对升力的解释。
空气在曲面上移动的速度更快是一个事实，但伯努利定理并不能解释为什么会这样。换句话说，该定理没有说明机翼上方气流更高的速度是如何产生的。
曾经有过一个对于机翼上方较高速度的解释，就是最常见的“等过境时间”理论。
这个理论说，在机翼前缘分离的空气必须在后缘同时重新汇合。因为在给定的时间内，机翼上方的气流要比下面的走得更远，所以它的速度必须更快。
这里的谬误是，没有任何物理原因使两个部分的空气必须同时到达后缘。
而且，事实也并非如此。实验证明，机翼顶部空气流动的速度远远超过了等过境时间理论所能解释的速度。
还有一个伯努利原理“演示”，甚至都出现在某些教科书中。
演示者将一张纸水平地放在嘴前，然后向纸的弯曲的顶部吹气，这时纸飘起来了。演示者说，这说明了伯努利原理。
但是按照伯努利原理，当吹动纸张底部时，应该会出现相反的结果，因为空气在纸下方移动的速度更快，应该会把那张纸向下拉。
但结果怎么着？那张纸还是一样飘起来了。
剑桥大学空气动力学教授霍尔格·巴宾斯基（Holger Babinsky）在他的文章《机翼是如何工作的？》中说：当气流施加到一侧时，弯曲的纸抬起，“不是因为空气在两侧以不同的速度运动”。
为了证明这一点，可以用力吹一张向下垂直的纸片，可以看到纸片不会移动，因为“尽管气流在纸的两面速度明显不同，但两面的压力是相同的”。
伯努利定理还有一个缺点——它没有说明机翼上方较高的速度如何或为什么会带来较低的压力，而不是较高的压力。
可以很自然地认为，当机翼的弯曲部分向上推动空气时，空气会被压缩，从而导致机翼顶部的压力增加。
但在日常生活中，这种“瓶颈”通常会减慢速度，而不是加快速度。在公路上，当两条或更多车道合并为一条车道时，所涉及的汽车不会行驶得更快，而是出现了大规模的减速甚至可能是交通拥堵。在机翼上方流动的空气分子的行为却并非如此，但伯努利定理没有说明为什么不是这样。
还有一个最具决定性的论据，彻底否定了将伯努利定理作为完整解释升力的理论：机翼上表面弯曲的飞机能够倒立飞行。
在倒立飞行中，弯曲的机翼表面从上表面变为下表面，根据伯努利定理，它在机翼下方产生了更小的压力。较低的压力，加上重力的作用，应该在总体效果上将飞机向下拉，而不是让飞机留在空中。
此外，只要机翼有适当的攻角（就是机翼相对水平位置的仰角），即使是对称翼型（即顶部和底部曲率相等）、甚至顶部和底部表面平坦的飞机，也是可以倒立飞行的。这意味着仅伯努利定理不足以解释这些事实。
升力的另一种理论是基于牛顿的第三运动定律——作用力与反作用力原理。
根据牛顿第三定律做出的解释是，机翼通过向下推动空气使飞机保持飞行状态。
空气具有质量，从牛顿第三定律可以得出，机翼的向下推力导致相等且相反的向上推力，即升力。
牛顿第三定律的解释适用于任何形状机翼，曲面的或平坦的，也适用于对称或不对称的翼型。对于倒立或正飞的飞机，它也都解释得通。
从日常经验中，我们对于这种作用力也是熟悉的：例如，当把手伸出行驶中的汽车并将其向上倾斜时，空气会向下偏转，而手会升起。由于这些原因，牛顿第三定律比伯努利定理对升力有更普遍和更全面的解释。
但是，作用力与反作用力原理也不能解释机翼顶部的较低压力。为什么低压存在于该区域，而与机翼表面是否弯曲无关？
只有当飞机降落并停止移动时，机翼顶部的低压区域才会消失，恢复到环境压力，并且在顶部和底部的压力都变得相同。但是，只要飞机在飞行，较低的压力区域就成为空气动力学不可回避的问题。
爱因斯坦愚蠢的尝试
当然，伯努利和牛顿这两位从来都没有解释过什么使飞机在空中飞行掉不下来，因为他们生活的年代远远早于机械飞行实际发展的年代。
莱特兄弟飞行后，这两位大神各自的定理和理论才被重新利用，使解释升力变成了科学家们一项严肃而紧迫的任务。
这些理论说明大部分来自欧洲。在20世纪初期，几位英国科学家发展了对升力的技术和数学上的解释。
在那个时代，受控的动力机械飞行是一种全新现象。所以科学家们将空气视为一种完美的流体，即它不可压缩且粘度为零。虽然这些假设不符合实际，但对科学家来说，却更容易建立起相关的理论。
将空气视为完美流体，使背后的数学计算更简单、更直接。但是简单性是有代价的：就是利用理想空气计算出的数学公式跟机翼在空气中的实际表现是有差距的。
在德国，致力于升力问题的科学家之一就是爱因斯坦。1916年，爱因斯坦在《自然》杂志上发表了一篇短文，题为《水波与飞行的基本理论》，试图解释是什么原因导致了飞行器的机翼和飞翔的鸟的翅膀的承载能力。
爱因斯坦写道：“围绕这些问题有很多晦涩之处。”他说：“的确，我必须承认，即使在专业文献中，我也从未遇到过简单的答案。”
爱因斯坦随后给出了一个解释，同样假设一种理想流体是不可压缩的、无摩擦的。他没有提及伯努利的名字，而是说流体速度较慢时流体压力较大，反之亦然，这跟伯努利原理说的是一回事儿。
为了利用这些压力差，爱因斯坦提出了一种在顶部带有凸起的翼型，这样的形状会增加凸起上方的气流速度，从而也降低那里的压力。
爱因斯坦可能认为他的理想流体分析同样适用于现实世界的流体流动。1917年，爱因斯坦以他的理论为基础，设计了一种机翼翼型，后来由于它类似于弓着腰的猫的驼背而被人们称为“猫的后翼”。
他将设计方案给了柏林的飞机制造商LVG，LVG根据这个方案制造了一架新的飞行器。
一名试验飞行员报告说，这架飞行器像“一只怀孕的鸭子”一样在空中徘徊。
1954年，爱因斯坦本人将自己这段涉足航空学的经历称为“年轻时的愚蠢”。
科学巨匠如爱因斯坦提出了关于宇宙从最微观到最宏观的根本性新理论，却没能为理解升力做出积极贡献，也没有提出实际能用的机翼设计。显见升力问题并不像人们想的那么简单。
尝试建立完整理论
飞机设计的当代科学方法是计算流体动力学（CFD）模拟和所谓的纳维-斯托克斯（Navier-Stokes）方程，它们都充分考虑了空气的实际粘度。
这些方程式的解以及CFD仿真的输出可得出压力分布预测、气流模式和定量结果，这些是当今高度先进的飞机设计的基础。但很遗憾，它们本身并没有给出对升力的物理定性解释。
近年来，顶尖的空气动力学专家道格·麦克莱恩（Doug McLean）试图超越纯粹的数学形式主义，找出能够在各种现实表现当中都能解释升力的物理学因果关系。
麦克莱恩职业生涯的大部分时间都在波音商用飞机公司从事工程师的工作，他专门从事CFD代码开发工作，并在2012年出版的《理解空气动力学：从真实物理学出发》一书中发表了他的新想法。
这本书有500多页，有非常详细的技术分析。书中提出了“机翼升力的基本解释”。
麦克莱恩对升力的复杂解释始于所有普通空气动力学的基本假设：机翼周围的空气充当“一种连续的材料，它会遵循机翼的轮廓而变形”。这种变形以机翼上方和下方的大量流体流动的形式存在。
麦克莱恩写道：“机翼在一个所谓的压力场中影响大范围的压力。
“产生升力时，总是在机翼上方形成低压扩散气团，而通常在下方形成高压扩散气团。这些气团接触机翼时，它们构成了压差，给机翼带来了升力。”
机翼将空气向下推，导致气流向下转向。机翼上方的空气按照伯努利的原理加速。
此外，机翼下方有一个高压区域，上方有一个低压区域。这意味着麦克莱恩解释升力时有四个必要的组成部分：气流向下转向、气流速度增加、低压区域和高压区域。
但是，这四个要素之间的相互关系才是麦克莱恩解释中最新颖、最独特的方面。他写道：
“它们以互为因果关系相互支持，没有其他要素的存在也就不会有任何一个要素存在。
“压力差将升力施加在机翼上，而气流向下转向和流速变化则维持了压力差。”
正是这种相互关系构成了麦克莱恩理论的第五个要素：其他四个要素之间的互惠。好像这四个组成部分通过相互创造和因果关系的同时行动，共同使四个要素存在并维持它们的存在。
这种协同作用似乎又暗示了一种魔力。
麦克莱恩描述的过程类似于四个大活人拉起彼此的靴子，让他们都处于空中。或者按照麦克莱恩说的，也可以说这是“循环的因果关系”。
交互的每个要素如何维持并加强其他所有要素？是什么导致这种相互的、互惠的、动态的相互作用？麦克莱恩的答案是：牛顿第二运动定律。
牛顿第二定律指出，物体或流体的加速度与施加在其上的力成正比。麦克莱恩解释说：
“牛顿第二定律告诉我们，当压力差在流体上施加净力时，它必然引起流体运动的速度或方向（或两者都）发生变化。”
不过相应地，压力差的产生和维持取决于流体的加速度。
这是不是等于什么也没说？麦克莱恩说并非如此：如果机翼处于静止状态，那么这一系列相互促进的活动将不复存在。但是，机翼在空气中移动，每个要素都会影响所有其他要素，这一事实使这些相互依存的要素得以存在，并在整个飞行过程中维持着它们。
我们找到答案了吗？
在《理解空气动力学》一书出版后不久，麦克莱恩意识到他并没有完全考虑到空气动力学升力的所有要素，因为他没有令人信服地解释造成机翼压力与周围环境发生变化的原因。
因此，在2018年11月，麦克莱恩在《物理学老师》上发表了由两部分组成的文章，提出了对空气动力学升力的“全面物理学解释”。
尽管这篇文章在很大程度上重申了麦克莱恩先前的论点，但也试图对导致压力场不均匀的原因进行更好的解释，并对其物理形状进行假设。
特别是他的新论点引入了流场水平上的相互影响，因此不均匀的压力场是施加的力的结果，是机翼向空气施加的向下力。
麦克莱恩的书及其后续文章能否成功地提供完整而正确的解释，尚需进行解释和辩论。
到此，我们还是很难对空气动力做出清晰、简单和令人满意的描述。这是有原因的：流体流动比固体物体的运动更复杂、更难于理解，特别是流体流动到机翼前缘处分离并受到沿顶部和底部的不同物理力作用。
另外，关于升力的一些争议不涉及事实本身，而是涉及如何解释这些事实，这可能涉及无法通过实验确定的问题。
不过说实在的，在这一点上其实只有少数未决问题需要解释。之前提到，升力是机翼顶部和底部之间压力差的结果。
对于机翼底部发生的情况，我们已经有了一个可以接受的解释：迎面而来的空气既在垂直方向（产生升力）又在水平方向（产生阻力）推动机翼。向上的推力以机翼下方较高的压力形式存在，而这种较高的压力是简单的牛顿作用力和反作用力的结果。
但是，在机翼顶面，情况却大不相同。在此存在较低的压力区域，该区域也是组成空气升力的一部分。如果伯努利原理和牛顿第三定律都没能解释它，那什么能解释呢？
从空气流线我们知道，机翼上方的空气紧贴着机翼向下弯曲的曲面。但是，为什么穿过机翼顶面的空气流必须遵循机翼向下的曲度？空气流为什么不能与之分离然后沿直线运动呢？
麻省理工学院流体动力学教授、《飞行器空气动力学》的作者马克·德拉埃拉（Mark Drela）给出了一个答案：“如果空气瞬间飞离机翼顶面切线，那么实际上在空气下面就会产生真空。”他解释说：
“然后，真空将把空气吸下来，直到大部分空气填满了真空（即直到它们再次沿着机翼切线移动）。这是迫使空气沿着机翼翼型移动的物理机制。仍然存在少量局部真空，这使空气流动保持弯曲的路径。”
这些气流从相邻气流被抽离或者拉下，是在机翼顶部形成较低压力区域的原因。但是，这一运动还产生另一个效果：使机翼顶部的气流速度更快。德拉埃拉说：
“受升力支撑的机翼之上的低压也在水平方向上拉动迎面而来的气流，因此当气流到达机翼上方时，它们具有更高的速度。
“因此，可以将机翼上方的速度提高视为那里压力降低的副作用。”
但是，德拉埃拉的观点也遭到了质疑。
剑桥大学的空气动力学专家霍尔格·巴宾斯基（Holger Babinsky）说：
“我讨厌与我尊敬的同事德拉埃拉意见相左，但是如果要说明是由于形成了真空，那么很难解释为什么有时候气流仍然与表面分离。但是他在其他所有方面都是正确的。问题在于没有快速简便的解释。”
德拉埃拉本人也承认，他的解释在某些方面并不令人满意。他说：
“一个明显的问题是，没有一种解释会被普遍接受。”
好吧，对于到底升力是怎么产生的，实际上我们现在还是没有简单的答案。
参考文献：
How do wings work? Holger Babinsky，http://www3.eng.cam.ac.uk/outreach/Project-resources/Wind-turbine/howwingswork.pdf
Elementary Theory of Water Waves and of Flight, AlbertEinstein, https://einsteinpapers.press.princeton.edu/vol6-trans/246
Aerodynamic Lift，Doug McLean，https://aapt.scitation.org/doi/abs/10.1119/1.5064558，https://aapt.scitation.org/doi/full/10.1119/1.5064559
