飞机为什么能飞起来?从科普的铁律说到升力的诠释

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张聚恩/文

关于说铁律是否有点绝对化,是否因此而令人望而却步,我思忖再三,觉得还是应该坚守铁律之说,似不应动摇。一旦这一条失守,科普将失去存在的价值,正如我上文里所说,没有科普很可怕,内容错误的科普更可怕。所有从事科普或事实上以自己的言谈和作品产生科普效应的人,都应以此要求自己——在科学与技术的传播中,务必谨言慎著。

我倡导三心三不说:要有敬畏心,对自己不懂的领域与方面,不瞎说;要有谦卑心,对知之不深的话题,不胡说;要有责任心,对较熟悉、有积累的内容,也务必做好准备,不乱说。这些都是进行科普、甚或有朋友说这些也应是做人行事的基本要求。

但这并不是说科普就不能出错、不许出错。由于科技发展,原有的知识被证明有缺陷,不完全正确;或者因个人认识和手段的不足,虽已尽力,但所阐释的内容出了差错。这些是正常的,也是允许的。出现这种情况后,及时修正更新,尽快自纠或互纠,努力使出现的错误、尤其是较大的错误不致流传就是了。

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面对日新月异发展的科学技术,每一个人都可能犯错,都需要不断学习,专家和学者也不例外。探究规律、追求真理的进程永不会终止。特别是对于一些理论不完备和尚无定论或共识的科技问题,不仅需要持续研究,还需要人们以各种形式进行切磋交流,包括有时会借助科普形式提出问题、发布资讯和阶段成果,以引发更多人的兴趣,吸纳更多人的智慧,推动研究的深入。在这个进程里,出现的阐释失准,不应简单地视为“出错”。

这里我举一个实例。最近,不少人都在看或转“航旅纵横”平台上的一篇文章《飞机为什么能飞起来,至今还是个未解之谜》,该文指出使用经典理论,如伯努利定理和牛顿第三定律等,在解释飞机升力时有一定局限。同样的文章还有美国科普作家埃德·里吉斯(Ed Regis)写的《飞机为什么能飞起来?科学家仍然没有答案》(清华大学白晨媛翻译、吴子牛审校),对飞机升空科学原理的争议进行了评介,也认为该问题迄今尚无完美答案。

这个问题是航空科普的一个热点、难点,似乎也是一个盲点。提问者多,回答者少。这个问题本身又是航空科技的一个基础性问题,不仅社会公众广为关注,业内人士对这一问题也一直在探讨。

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有趣的是,飞机早已飞上蓝天,且飞得越来越快、越远、越高;飞机设计技术日臻完善,已能利用CFD、仿真和数学工具进行计算和模拟,在充分考虑真实空气的物理特性的条件下,获得足以支持翼型选择、预测压力分布、给出气流形态的定量解、可视解。但是,对于升力的产生原理,如翼型上低压区形成、气流速度变化等的原因,尚缺乏合理的定性科学诠释。

说到诠释,有一个较少使用的词汇,叫“诠释学”,英文Hermeneutics,源自希腊语。其含义是运用一定的概念和既有知识,去解释现象,探明本义,达到自洽性。而所谓“自洽性”(Self-consistent),就是在逻辑上达成完满解释,或自圆其说,或不可证伪。

实现“自洽性”的唯一工具是科学。科学的固有作用本来就是,第一,解释现象,揭示事物内在的或背后的规律;第二,在成为真理后,指导相应的人类活动,包括技术的开发。我们现在要做的对飞机升力的诠释,本质上就是一种以科学原理来解释现象、追求自洽性的研究与探讨。

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用于诠释升力来源的科学有两大类,一类是公理性科学,如伯努利定理、牛顿定律、能量守恒定律(由迈尔提出,焦耳开展实验,赫姆霍兹最终确立)、马格纳斯效应等;另一类是针对航空而创建的专门性科学理论,如乔治·凯利的空气动力学理论、库塔-茹科夫斯基环量定理、科恩达的附壁效应等。

用公理性科学来解释专门的现象,常常不尽完美,但这不是公理的错,不是公理的漏洞;如伯努利定理、牛顿力学定律等。由于创立者的生活岁月远早于飞行时代,他们的理论不是专门用来服务航空、解释升力的。基于公理,在一定的边界、条件、约束下对特定飞行问题立论求解,所形成的航空专门性科学理论则具有很强的针对性。公理性科学和专门性科学相结合,方为有效回答航空问题之道。

不少学者、专家对此做了研究和诠释。有关成果与资讯不少。例如,来自加拿大滑铁卢大学、署名“博士科普团队孟航”的一篇《升力与翼型——古典与近现代流体力学的完美结合》,视角独特,读来令人耳目一新。北京航空航天大学刘沛清教授的《连续性气流翼型绕流产生升力知多少?》详述了翼型绕流产生升力的基本认识,颇具深度。有一位笔名“老眼昏花”的作者,自称非航空人士,但他的《航空知识笔记》(第93篇)写了《飞机如何获得升力?》,试图从伯努利定律、库塔-茹科夫斯基定理,起动涡和翼尖涡流等的结合中阐释升力,读后很受启迪。

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现在的科学理论应该能够破解这个未解之谜了,在充分考虑涉及到的复杂过程和所有作用力、影响因素与物理条件的前提下,如能融合运用伯努利定理、库塔-茹科夫斯基环量定理和附壁效应等公理性科学和专门性科学,应能对飞机升力的产生原因做出有说服力的完美诠释。

专家、学者以及众多航空爱好者们进行的研究,正在逼近圆满,也在逐步形成共识。同时,大家也有责任,把这样一个略显深奥、且尚无定论的重要问题,如实地告诉人们。根据受众的不同,采取不同的形式和语言,宣讲这些成果与知识,甚至这个有趣的认知过程本身。这是一份责任,也是一种独具特色的科普。

类似这样的科普,取探讨式、互动式,要留有余地,说明认识的阶段性,而非唯一正确的结论。对真理和真相的持续追求,向公众的传播与发布,既反映了学术探讨的自由与活跃,也是为满足社会需要的责任与自觉,其本身也是对研究工作的检验和促进。这是一个授受双方集体提升的动态过程,当然也就没有绝对化的“不出错”。

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