为什么我们不明白较重的飞行

如果您最近一直在阅读流行的科学网站或杂志，那么您可能已经听过这个消息：我们不明白飞机如何工作。

这一事实可能会让你感到惊讶，因为人类已经成功设计，建造和飞行飞机现在超过一个世纪。但我担心文章很清楚：

在这篇文章中，我会考虑为什么我们不明白较重飞行的原因。

当然，科学很难，而不是了解事情一般是默认值。还有许多关于飞行的东西，使其变得复杂;其中任何事情都是为什么我们作为一种物种未能理解飞行的自然原因。但在审查了这些可能的原因后，我认为你会同意我的意见，我们不明白较重的飞行的真正原因是比我们通常承认的更深入和更令人震惊。

第一个人类飞行真的只是人浮子。热气球首先在1783年通过天空携带人类，但热气球背后的基本原则返回到中国的第三世纪，当它意识到一个加热的空气容器浮在较冷的空气上方。

这种浮选是自然的，对任何人都没有令人困惑。热空气比冷空气少得多，所以骑在一个热气球中的原理与救生筏相同，以保持寿命，让你漂浮在水中：重力向下拉着较重的东西，使更轻的东西向上移动。

在技​​术方面，相关概念是ArchImedes的原理：物体上的向上浮力等于其流体流体的重量。反过来，这是一种即时后果，这是一个物理基岩的更深原则：宇宙是巨大的能量最小化机器。如果宇宙可以通过向上移动热空气气球来降低其潜在能量，以便更重（较冷）的空气，然后它会这样做。所有你所要做的就是坚持下去。

通过这种方式，“浮选的飞行”是一种简单，自然，几乎永恒的想法。在每一个概念层面都感到明显和直观。

相比之下，较重的飞行是一个令人不安的业务（如上所述，我们不明白的那样，我们不明白）。

一个自然的罪魁祸首，因为我们未能通过空气驾驶空气的是，也许空气本身太复杂了解。毕竟，空气含有每立方厘米的3×10 1分子，每个分子在每小时约1000英里的每分钟左右飞行，并且经常进入其他分子。因此，如果您想要真正描述单个立方厘米的空气，则需要同时解决9×10¹⁹耦合的二阶微分方程（F = MA，但对于每个分子的每个运动方向）。

鉴于这种情况，如果您是一名高中物理学生，他们刚刚学会了牛顿的法律，你可能会尽力决定在试图将它们应用于像空气这样的东西。它简单地是太多的自由度（一个技术阶段，意思是要跟踪“的东西”）。

但事实证明，绝望是错误的，因为一件美丽的事情发生了 - 这是现代物理科学的关键推动者之一。在这样的情况下，所有那些并不重要的数量（空气分子的各个位置和速度）通过快速运动和所有碰撞迅速混合。然后，如果您允许自己不关心这些东西，那么唯一留下您的轨道跟踪是明确保守的东西：能量，质量和势头。空气（和其他液体）转向相对简单，因为自然给我们这么少的保守量。所以我们最终只写下几个方程来描述那些节约的东西，我们允许自己不关心所有迅速争吵的其他方面。

这种方法（通常称为流体动力学，即使它与水无关）基本上是最大无知的路径。除了自然所强制的特殊要求之外，我们允许自己保持无知，除了特殊的特性：能量，质量和势头。但在这种无知中是一种自由，它给了我们所作的科学。

也许，您可能会认为，我们缺乏对实现飞行的基本力量的理解。例如，亚里士多德教导所有物体都以“重力”或“Levity”赋予它们作为它们的基本属性，并且只有“Levity”的基本属性往往会在地面上升。这种描述现在可能似乎是愚蠢的（是呢？），但是一个人可能自然无知，我们是否尚未正确地击中哲学上的哲学上，它在物质本质上的性质及其与其他能够飞行的其他物质的互动。

自然担心 - 但是，事实证明，一个完全毫无根据的。使飞行的基本原则与牛顿的运动定律更复杂，自1600年代后期以来已知。

标准教科书的航班介绍将告诉您有四种相关力量：体重，推力，升力和拖动。但在牛顿的语言中，真的只有三个：地球上的力在飞机上（重量），发动机排出的力在平面（推力）上排气，以及飞机上的空气的力（我们任意分解进入其垂直和水平部件，提升和拖动）。

如果您想了解您的飞机是否会飞行或跌倒，只需绘制自由的体图，总结力，并查看结果箭头是否指向净净化或净净化。

我不是说（又要）这种自由体图中的所有力量都很容易。但我说飞行的基本原则 - 相应的力量平衡 - 在概念上并不比牛顿的法律更复杂。

由于ISAAC Newton以来，物理学发生了许多革命，但事实证明，它们都不是必要（或特别相关），以了解飞机如何留在空中。

有时，求解方程的过程很难（例如：我曾经遇到过的代数方程，这是如此棘手，即我只设法通过寻找最聪明的高中孩子并向他提供了解它。控制流体流动的基本方程确实非常困难：事实上，对于一个可以证明一般解决方案甚至存在的第一个人来说，有一百万美元的奖项。

所以，也许，你可能会想，理解飞行的问题不是我们不知道涉及的力量，或者写下什么方程，但只有没有人类尚未出生的人聪明地解决他们。

这可能是真的，但只有在某种意义上，也表明对现代人没有阻碍。事实证明，即使您无法（或不想）的均匀等式甚至可以齐全地解决，只要您愿意提出近似于近似于“几乎正确”方程式的正确方程式的足够繁琐的过程。例如，解决描述一种描述连续流体流动的方程可能太难以解决，但不太难以解决具有其特性（能量，质量，动量）的流体的一束离散的“包裹”的方程时间分数。这被称为“有限元方法”，如果您试图用手实施它会如此思维，以至于您将快速决定没有值得理解的程度是值得的。

幸运的是，在21世纪，我们有计算机为我们做这样的事情。

[我认为它一般被低估了现代计算机的伟大奇迹并不是他们可以做人类不能的事情。这是他们可以做的事情很容易对人类来说，然后在没有无聊的情况下做100万亿亿。

那些未钻孔的计算机允许我们解决具有大量定量精度的相关空气流方程，因此我们可以预测由几乎任何几何形状产生的升力和阻力。

所以情况正在抬头（没有双关语）。但我担心我们的基本拼图仍然存在：

（数学）混乱的想法是，在混乱的系统中，初始条件的无限变化在足够长的时间后急剧不同的结果。在技​​术语言中，数学系统具有Lyapunov时间，τ，使得初始条件的小差异在时间t»τ之后的最终状态下变成指数大的差异。

比其Lyapunov时间更长的时间预测任何系统的状态并不是不可能的，但它有效地是不可能的。您必须知道系统状态的准确性以及您必须执行计算的精度水平变得如此之高，因此没有数量的计算能力将为您节省。

流体流量可以很容易地混乱，这通常意味着它变得数学上难以和谐，并且小鼠和男性的最佳方程式没有用。流体变得湍流的倾向的特点是雷诺数，R，这是一种无量纲数，告诉你流体惯性是多么重要。当R小时，任何给定点的流体流量只取决于该点的环境条件（压力梯度和几何边界），而不是在上游发生的任何事情。另一方面，当R很大时，空间和时间的给定点处的流量在流体流动的过去轨迹中非常取决于流体的过去轨迹，以及流体已经建立了多少动量。

[侧咆哮：雷诺数的通常定义是R是“惯性力与粘性力的比率”。我一直讨厌这个定义，因为到底是“惯性力”？我认为R在两个时间尺度之间的比例最好是：时间t停止，它需要通过粘性摩擦通过制动来休息的L型流体所需要的，并且时间t的时间流体移动与L相当的距离。思维r = t stop / t的思考使得它清楚地说，当你处于低雷诺数时，您在没有惯性的世界中，任何流体运动立即带到休息。高雷诺兹号码是我们通常想到并直觉的世界，其中移动的东西往往保持运动。]

在客机的翅膀上的空气流量对应于非常大的雷诺数：200,000左右。这是一个足够大的数字，任何正常人都会预期混沌（即湍流）空气流量。

事实证明，对于空气流过机翼的情况，对应于混沌/湍流空气流量的雷诺数非常高：R＆GT; 400,000，而不是天真的猜测，它应该是R＆gt; 1。

正如我所看到的，这只是本质上的那些神秘的数值巧合之一。没有先验的原因希望预计飞机翼穿过空气流动是平滑而不是湍流，因此该飞行是可能的并且可以预测的，而不是不可能和不可预测的。

但它碰巧我们很幸运。既然我们很幸运，翼翼的空气流量并不是特别难以描述，在数学上讲。

我们现在已经到了一个有趣的局面。正如这篇文章和许多文章所强调的那样，我们不理解飞行。但它不是因为空气很困难，或因为相关的运动定律很困难，或者因为我们不能写下相关方程，或者因为我们无法解决他们。那么可能是我们不理解飞行较重飞行的原因？

排除了明显的候选人，让我建议更自然的可能性。 也许问题不属于自然，也许问题在于我们。 考虑：我们是进化的产品。 我们物种进化的唯一目标是让我们活着和复制。 大自然没有通用的授权使我们能够理解; 只有在理解处于生存的益处时，就存在这种授权。 所以也许有一个非常好的原因，为什么我们的进化历史不会选择赤裸裸的笨拙的猿，感觉令人奇迹“了解”比飞行较重的飞行。