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飞机飞行的物理学
飞机飞行并不依赖传统机翼形状，任何表面都可以产生升力。
升力的产生
一个常见的误解是机翼必须具有经典的翼型才能工作。实际上，几乎任何表面都能产生升力并作为机翼使用。你可以通过挥动一块硬纸板、泡沫板或任何轻便、平坦的大物体来验证这一点。如果表面相对于来流气流倾斜几度，它会将空气向下推，从而自身向上升。
迎角与失速
现在，尝试增加迎角，即机翼与气流的夹角。你会注意到，超过某个角度后，升力开始减少，取而代之的是大量的阻力，这是一种试图减慢机翼速度的力。这称为失速，它限制了机翼在任何给定速度下能产生的升力。适当的翼型几何形状可以在失速前产生更多升力，并在给定升力下产生更少阻力，这就是为什么大多数飞机使用它们的原因。
质量中心与压力中心
如果你现在像飞机一样抛掷硬纸板，它会立即抬头，失速然后翻滚到地面上。要理解为什么会发生这种情况，有助于简化所涉及的力的复杂性。
质量中心是你可以想象整个飞机重量集中在的点。如果你从质量中心举起飞机，它会平衡。作用于质量中心的力不会导致任何旋转，只会产生线性运动。另一方面，作用于其他任何地方的力都会使飞机旋转，施力点离质量中心越远，产生的力矩越大。
对于仅由一个矩形机翼组成的飞机，质量中心在机翼的正中央。
压力中心是你可以想象所有空气推向机翼的点。实际上，空气对机翼的各个部分施加压力，但升力和阻力对飞机的影响类似于它们全部作用在这个点上。
对于一个简单的矩形机翼，压力中心位于机翼前缘后1/4的位置：
空气在离质量中心相当远的地方抬起机翼，这导致机翼剧烈向上旋转。
稳定性
这种旋转可以通过在飞机后部添加更多升力(例如水平稳定器)或通过加重机头来防止。当质量中心与压力中心对齐时，飞机会飞行更长时间，但最终仍会坠毁。实际上，飞机在压力中心平衡；即使是微小的不对齐也会导致其旋转并最终坠毁。
为了继续飞行，飞机必须稳定，设计成在受到干扰或偏离后会恢复到其首选的姿态和速度。飞机的姿态可以分为三个轴，俯仰(机头上下)、偏航(机头左右)和滚转(一个机翼上升，另一个下降)。
在偏航轴上，飞机的行为类似于风向标，但围绕质量中心旋转而不是围绕支点旋转：
当飞机未朝向气流时，垂直稳定器产生侧向升力，将飞机旋转回气流中。这只要垂直稳定器位于质量中心后方就有效。
滚转稳定性
滚转稳定性依赖于正对称角，即机翼成轻微的V形。
当飞机滚转时，机翼产生的升力会有一个水平分量，使飞机侧滑，产生侧向运动：
有了正对称角，这种侧滑会减少上翼的迎角，因为从该翼的角度看，空气现在是从上方流过的。由此产生的不对称升力将飞机滚回水平位置。
值得注意的是，垂直稳定器会试图防止侧滑，因此过多的偏航稳定性实际上会降低滚转稳定性。相似地，过多的滚转稳定性相对于偏航稳定性会导致偏航和滚转的振荡(称为荷兰滚)。
俯仰稳定性
俯仰稳定性是独特的，因为与滚转和偏航不同，飞机必须保持正迎角才能继续飞行。为了稳定性，质量中心必须位于机翼升力中心的前方，这在机翼产生升力时会产生向下的俯仰力，并随迎角增加而增加。此外，后部的水平稳定器需要相对于水平稳定器来说，后部的水平稳定器需要相对于机翼向下倾斜，产生向下的升力，抬高飞机机头。当飞机机头上仰时，稳定器的迎角下降，减少了下压力。这使得飞机可以在两个力矩相等的角度稳定下来，从而维持一个恒定的迎角。
速度稳定性
速度稳定性由高度和俯仰稳定性的相互作用以及阻力提供。
当飞机加速时，产生的升力(对于任何给定迎角大致与空气速度的平方成正比)超过其重量，飞机开始爬升。空气现在从上方流来，飞机抬头以保持恒定的迎角，从而导致更快的爬升，直到它用尽所有的额外速度来换取高度。相反，当飞机减速时，产生的升力减少，飞机开始下坠。此时，机翼和稳定器会使飞机机头向下，换取高度以获得速度。
此外，当飞机加速时，产生的阻力增加，减慢了它的速度。当飞机减速时，产生的阻力减少，使它能够加速。
高度和速度特别容易发生“福格特”振荡，这种振荡仅由阻力阻尼，尤其是在具有非常高升阻比的飞机上，如滑翔机。幸运的是，恒定的迎角使飞机即使在振荡期间也能继续飞行，这些振荡也非常缓慢，允许飞行员进行纠正。
本文译自 Maurycys blog，由 BALI 编辑发布。