有趣的問題。純粹憑經驗，這是您要查找的升阻比。如果您採用任何特定飛機的此值，您將直接獲得機翼有效得多的答案。它是升力與總阻力之比。引擎只需要克服阻力。

如果L / D等於1，您將需要與垂直起飛相同的推力。但是，即使是相當“壞”的固定翼飛機，其L / D也大約為5。滑翔機或著重於空氣動力學的類似飛機的L / D可以達到50或更高（至少在某些空速範圍內）。 / p>

是的，機翼效率更高。一般飛機和最佳空速的經驗法則大約是一個數量級。

為什麼用向下推的空氣進行推理是不正確的，所以很難解釋。我首先假設，當空氣通過機翼時，其相對於機翼的速度不變，只有方向改變。 （我知道空氣至少會由於摩擦等原因而減慢速度，但至少從理論上講，這些是可以避免的與升力沒有直接關係的事情。如果與升力有內在聯繫，這不僅會改變氣流方向，還會改變速度，那麼希望有人會在這裡糾正我。）

查看圖片。最初以速度$ \ vec {v_0} $向著翼型運動的氣團向下偏轉了角度$ \ alpha $。因此，速度的變化為$ \ vec {\ Delta v} $。這種變化可以分為水平和垂直兩個部分。為了將飛機保持在空中，垂直分量必須等於飛機的重量除以機翼上的質量流率。垂直分量與水平分量的關係為$$ \ Delta v _ {\ rm horiz} = \ Delta v _ {\ rm vert} \ cdot \ tan {\ alpha \ over 2}。$$

因此，從這個簡單的角度來看，阻力將是$ \ tan \ alpha / 2 $乘以升力。機翼上較高的質量流率（較長的機翼，更高的空速）可以保​​持相同的升力且撓度較小（$ \ alpha $），從而減少了由於產生的升力引起的阻力。

補充說明：它與功率和能量有何關係

上面的答案集中在機翼如何減少必要的發動機推力推力上，但是最初的問題可以用能效來解釋太。我將嘗試在這部分上添加一些註釋。

• 簡單示例–火箭發動機：對於飛機來說不是太典型，但是很簡單。火箭每秒鐘消耗相同量的燃料，以產生一個單位的干渴，而不論其大小，指向的是向上（相對於空氣是靜止的）還是向前（並在空中移動）。您需要按比例燃燒每秒更多的燃料以產生更高的推力。因此，對於火箭推進器，您將以與必要的推力減小相同的比率節省燃料。

• 螺旋槳或噴氣發動機的推力和燃料消耗取決於其更加複雜引擎也通過空中運動。正如David K在回答中指出的那樣，我們可以利用加速空氣的動量和動能來獲得推力單位所需的動力。

  經過一些簡化，推力是通過發動機/發動機的質量流量乘以通過改變流速引起的。 $ T = \ dot m \ cdot（v _ {\ rm out}-v _ {\ rm in}）= \ dot m \ Delta v $。為此所需的功率為$ P = \ dot m \ cdot {1 \ over2}（v _ {\ rm out} ^ 2-v _ {\ rm in} ^ 2）= \ dot m \ Delta v \ cdot（v _ {\ rm in} + {\ Delta v \ over 2}）$。因此，$$ {P \ over T} = v _ {\ rm in} + {\ Delta v \ over 2} \，.. $$

  對於固定在重力作用下的固定式發動機，與飛行固定翼飛機相比，需要更高的推力，如上所述。如果我們不通過增加通過發動機的質量流量來“作弊”（例如使其成為直升機旋翼或使用多個發動機），則必須增加$ \ Delta v $才能獲得必要的推力。因此，不僅由於推力增加而需要更多功率，而且由於每推力瓦數增加而需要更多功率。請注意，即使“直升機作弊”也不能很好地發揮作用。為了匹配由於機翼的L / D而產生較小推力的發動機的功耗，您也需要提高P / T –通過減小$ \ Delta v $，從而增加質量流量（轉子/螺旋槳半徑甚至與推力增加成比例）

  由於空中移動而導致的P / T降低怎麼辦？好吧，這取決於特定的引擎及其$ \ Delta v $。它通常與空速處於相似的數量級（甚至更低），因此我們不能忽略上面的瓦特/推力公式中的$ v _ {\ rm in} $。當發動機在移動的飛機上工作時，效率會受到影響。

  一個簡化的示例：我們的發動機能夠產生足夠的推力以垂直提升飛機。可以通過更改$ \ Delta v $來限制它，而沒有任何實際問題或內部效率的變化。並假設通過它的質量流率是固定面積$ S $乘以空氣密度，再乘以進出空氣速度的算術平均值。對於懸停的飛機和固定式發動機，其推力等於飛機的重量，則$ w $是$$ w = \ dot m \ Delta v _ {\ rm hover} = \ rho S \ Delta v _ {\ rm hover} ^ 2/2 \ ，; \ quad \ Delta v _ {\ rm hover} = \ sqrt {2 w \ over \ rho S} $$，因此$$ P _ {\ rm hover} = w \ cdot \ Delta v _ {\ rm hover} / 2 = \ sqrt {w ^ 3 \ over 2 \ rho S} \，.. $$

  在機翼上飛行的同一架飛機僅需要L / D $的推力w。空速是$ v _ {\ rm air} $。推力公式：$ {w \ over L / D} = \ dot m \ Delta v _ {\ rm flight} = \ rho S \ cdot（v _ {\ rm air} + {\ Delta v _ {\ rm flight} \超過2}）\ cdot \ Delta v _ {\ rm flight} $。因此，$$ \ Delta v _ {\ rm flight} = \ sqrt {{2w \ over（L / D）\ rho S} + v _ {\ rm air} ^ 2} -v _ {\ rm air} $$和$$ P _ {\ rm flight} = {w \ L / D以上} \ cdot（\ sqrt {{w \ over 2（L / D）\ rho S} + {v _ {\ rm air} ^ 2 \ over 4}} + {v _ {\ rm air} \ over 2}）\，。$$

  很遺憾，我看不到如何簡化和比較$ P _ {\ rm hover} $和$ P_ { \ rm flight} $的一些具體數字：

  • 輕型飛機，1噸，100節，$ S = 5 \，\ rm m ^ 2 $，$ L / D = 15 $：$ P _ {\ rm hover} = 290 \，\ rm kW $，$ P _ {\ rm flight} = 35 \，\ rm kW $。

  • 重飛機，100噸，200節，$ S = 50 \，\ rm m ^ 2 $，$ L / D = 15 $：$ P _ {\ rm hover} = 90 \，\ rm MW $，$ P _ {\ rm飛行} = 7 \，\ rm MW $。

  因此，基於這些簡化，使用類似發動機的機翼飛行在能源方面也應顯著提高效率。另外，您已經在使用功率$ P _ {\ rm flight} $前進。對於立式發動機，克服運動引起的空氣阻力將需要額外的動力。

關於能量消耗和功率，對於要通過加速空氣質量產生的給定力，在每個時間段內加速小空氣質量所需的功率要比加速大空氣質量所需的功率大。這是因為力與空氣質量的動量變化成正比，而功率與動能的變化成正比；而動量是$ mv時，$動能是$ \ frac12 mv ^ 2。$

典型的飛機引擎會捕獲相對較小的空氣，並以較高的速度將其向後推動。大型螺旋槳或進氣量大的高旁通渦扇發動機比小型螺旋槳或進氣量小的渦輪噴氣發動機要好。但是典型的傳統飛機的機翼會“抓住”更大的空間。飛機在任何時間單位內都比發動機快得多。通過將機翼向前推動，飛機會轉換發動機效率相對較低的力量（從飛機前部吸收少量空氣並迅速向後加速） ），以使其機翼更有效地產生力量（將較大的空氣包裹在飛機上方並相對緩慢地向下加速）。

只需向下轉動傳統飛機的典型發動機（噴氣或螺旋槳）即可在飛機正常飛行時，不允許飛機向機翼向下加速盡可能多的空氣。

在直升飛機（也稱為“旋翼飛機”）中，發動機會旋轉機翼（又名轉子），從而將其推入無論機身是否通過氣團向前飛行，空氣都會向下飛行並加速飛行，因此與傳統固定翼飛機這樣的垂直起飛相比，直升機可以使用相對較小的動力裝置垂直起飛如果您將直升飛機旋翼視為“向下風扇”， 那麼它實際上就可以正常工作了。

在傳統飛機上，發動機的大部分動力用於保持飛機以一定速度向前行駛。產生升力實際上只需要很少的動力。

考慮一架簡單的紙飛機。它在沒有引擎的情況下飛行了很長時間，直到它的阻力使其減速，並且如果失去升力並下降到地板上。

在熟練的飛行員手中，滑翔機可以在沒有發動機的情況下在高空飛行數小時。

我不會討論機翼是否通過引導空氣起作用的爭論是否向下，因為它根本無關緊要。基本事實是，當機翼的方向使其向前移動時能夠提供升力時，引擎所需要做的就是以該速度驅動機翼，而飛機的其餘部分以這種速度前進。 strong>

飛機的機翼和機體在向前或向後拉，推，推時會產生有效的阻力，而發動機只需要產生一定的力就不會減速。 該力比直接舉升飛機所需的力要小很多。

大多數飛機發動機根本沒有推力來自行舉升飛機。在飛機的早期開發過程中，由於沒有足夠強度的發動機而進行了很多嘗試，但均以失敗告終。

萊特兄弟（Wright Brothers）來之前很長一段時間，但是飛行是不可預測的且不受控制的。因為兄弟倆發現並發明了一種機制來允許他們控制機翼，所以發明了第一架真正的飛機。

簡而言之，提供機翼升力比使用推力矢量化要容易得多。

但是：此時，您可能仍在撓頭想知道如何在不實際從引擎獲得動力的情況下升空飛機...。所以讓我嘗試解釋一下。

假設您有一輛汽車，我告訴您將其舉起6英尺...好吧，除非您是這個人，否則一切都不會發生...

但是如果您執行以下操作怎麼辦？

嗯，您可能會抱怨並喘不過氣來，但是您可以看到，如果坡道足夠長，那麼您可以利用我們的肌肉使汽車升至那個高度。

因為我們是緩慢移動的生物，我們認為空氣什麼都沒有。但是，當您嘗試將空氣快速移開時，空氣會變得不同。它變得非常“硬”。

因此，可以認為飛行中的飛機正在爬升坡道，如下所示。

飛機和機翼相當容易切入空中，但機翼和機體下方的空氣卻像斜坡一樣。機翼越大，坡道越硬，越堅固。

當然，斜坡不是堅固的，並且在我們將飛機向前推動時有效地下降。換句話說，飛機正在同時下降和爬升。在水平飛行中，坡道的下降速度與飛機攀爬時的下降速度相同。

這意味著機翼為您提供了使用坡道減小的機械優勢執行工作所需的力量。忽略阻力，所需的工作與垂直舉起的工作相同，但是由於您將工作分散在很長的向前距離上，因此發動機所需的工作量明顯減少了。

效率：

現在效率更高嗎？好吧，傳統上，坡道和其他機械優勢裝置的效率要比直線升降機低，這是因為設備中的額外摩擦會導致損失。

但是，基於垂直推進的升降機系統本身效率極低。

正如我們所討論的那樣，空氣越難以移動，就越難以移動。這意味著將發動機的功率提高一倍並不會轉化為推力的提高，而是更多的是指數函數。也就是說，您需要燃燒兩倍多的汽油才能獲得兩倍的推力。

更糟糕的是，對於任何給定的發動機，它可以產生多大的推力是有極限的。最終，空氣在其前方空化。如果能夠足夠快地轉動，它將從進氣口吸走所有空氣，以至於形成真空。那時，發動機空氣不足，無論您泵入多少燃油，都無法更快運轉。這意味著，為了獲得更大的推力，您需要更大的發動機，這意味著更大的重量，這意味著您需要更大的推力....您知道我要怎麼做嗎？

記住，那隻是為了讓您保持健康，您仍然必須使用更多的力量才能從A點到達B點。

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因此，即使有阻力損失，在任何給定的行駛距離下，機翼飛行所消耗的汽油仍然少得多。

如果我們忽略損失，則將飛機保持在給定的高度就不需要動力，因為它沒有做任何工作。但是，它確實需要力量，而且您似乎將力量和力量混為一談。提到力時，術語“效率”沒有任何意義（至少沒有明確定義的意思）。

例如，我可以握住20公斤的重量，我可以使用1:10的槓桿握住200公斤的重量。當然，您可以說槓桿效率提高了10倍，從某種意義上說，機翼比立式起飛發動機的效率更高：您可以用推力小10倍的發動機起飛。結果是，您要花更多的時間才能達到給定的高度，就像我用槓桿舉起200公斤的重量要比用手舉起20公斤的重量要慢10倍。

發動機（例如活塞發動機）不提供升程。發動機驅動機翼。螺旋槳的每個葉片都是一個機翼。每個機翼（具有相同的大小，機翼，迎角，相對速度，高度）都提供相同的升力。

下面的兩個裝置都提供相同的升力，其中一個直飛，另一個以圓周飛。一個是飛機，另一個是螺旋槳。將發動機的推力指向下方=將葉片的飛行方向指向水平。希望這會有所幫助。

我只想添加一些我認為在這里通常被忽略的內容。隨著機翼/螺旋槳上特定空速的增加，阻力的增加不僅僅是線性增加，它的指數增加。換句話說，由於機翼上的氣流（質量）要高得多，因此它可以在低速下產生x升力，而對於發動機，因為它需要移動的氣流（質量再次）較低空氣更快地通過發動機中的螺旋槳以產生相​​同的升力。由於阻力不是線性的，因此需要更大的功率來克服來自發動機的阻力，這是造成效率低下的原因。

跳過答案，我錯過了一種非常簡單的方法來解釋差異：
列出兩種設計解決方案的無效性

固定翼

• 不產生升力的阻力-一些阻力與產生升力無關，例如
• 機翼尖端渦流-機翼上方和下方的壓力差試圖通過從下方到上方的空氣流來平衡。小翼和/或機翼的高長寬比可以緩解這種情況。
• 任何東西-這是任何東西的佔位符，我可能會錯過。

旋轉翼

• 不產生升力的阻力-與上述等效點相同，除了不同的機翼輪廓，機翼和不同的空速。
• 機翼尖端渦流-與上述等效點相同，不同之處在於機翼長度，因此長寬比在設計選擇上受到更多限制。小翼會引起很多結構性問題，並且會過大地增加阻力，因為小翼的定義是（快速移動的）尖端。確實也適用於旋轉機翼。另外，通常情況下，氣流不均勻（請參見下文）不允許對機翼輪廓，翼型等進行優化。
• 葉片上空氣速度的不均勻分佈 -轉子的頂端在空氣中的移動速度快於其底部。因此，很難一次在旋翼槳葉的任何地方都獲得最佳空速。
• 前葉片和後葉片的不同空速-飛機的前進速度與前一個刀片，但從後退中減去。這種差異增加了實現最佳氣流的問題。
• 需要反扭矩-經典直升機設計中的尾旋翼需要來自主機的動力，而不會增加升力或前推力。基本上，這是“無用的必要”。雙轉子設計可能會受到越來越多的“擾動氣流”（見下文）的影響。
• 圓周運動-圓周運動基本上正在向中心加速。 “直飛”會更有效，例如轉子上有軸承會洩漏角動量。相比之下，固定翼除了其他效率低下外沒有洩漏其動力。這也對轉子葉片提出了結構要求，這可能會限制其他設計優化。
• 擾動的氣流-先前退避的葉片在下一轉中經過先前先行的運動。被擾動的空氣不會產生像不受干擾那樣乾淨的氣流。
• 未優化的機翼-上面的多個要點已經提到了這一點，要么是有必要的（圓周運動中的結構要求），要么是通過避免優化（非-

回到原始問題：
根據經驗，我們可以假設無效列表越長，設計效率越低。尤其是當一個列表中的所有內容（以及任何內容）也出現在另一列表中時。要違反經驗法則，每個點在質量上都必須有很大的差異。

機翼與發動機相比的主要優勢在於，在典型使用中，機翼將不斷遇到相對不受干擾的空氣。指向下方的發動機會在其上方產生低壓區域，並且甚至在飛機對其進行任何處理之前，流入其中的空氣都將向下移動。飛機產生推力的唯一方法是將已經移動的空氣加速到更高的速度。將立方米空氣從9m / s加速到10m / s所需的能量幾乎是將10立方米空氣從0m / s加速到1m / s所需的能量的兩倍，但是提升量後者產生的能量將是後者的十倍。

總是向我解釋“基本”飛行的方式是，由於機翼的形狀，頂部上方的空氣必須進一步移動，因此“伸展”機翼下方的空氣行進的距離更短。因此，機翼下方的空氣比機翼上方的空氣具有更大的“壓力”。實際上，您從來沒有在任何時候“壓低空氣”。至少不是完全正確。飛行器的重量確實會導致機翼下方的空氣像小船一樣“晃動”（或移位），而沒有力（除舉昇機外）在機翼上“向上”推動。

這都是非常簡單的解釋。但是核心部分，非常重要的部分是，在任何飛機中，固定翼（飛機）或旋翼（直升機）都不是通過向下壓空氣產生的任何升力。升力是由機翼“頂部”上的氣壓較小而產生的，而與向下的重力結合時，機翼“下方”上的壓力較小。真正使飛機升起的是拉力，聽起來好像很奇怪。

現在，您想知道為什麼“像飛機一樣”而不是“直升機”那樣花費更少的能量。再一次，請記住，直到您進入火箭發動機，才將空氣向下蹲。

為回答這一點，我們來看看每個發動機試圖移動什麼。在小型飛機上，發動機必須移動螺旋槳。可以說約70磅。當發動機旋轉70磅的重量時，它可以“拉”（大約與機翼相同）一個約140節的小飛機。這樣就足以使飛機的機翼產生升力。請記住，“升力”不必是這麼大的力，它只需要比重力稍微強一點即可。

相反，直升機的“葉片”（只有旋轉的機翼）約250磅的重量。很難將轉速轉換為節，但以650英尺/秒的速度大約為385節（數學上很粗糙）

因此，以140節的速度向前牽引飛機所需的能量要少得多。然後它確實以384節的速度旋轉了一組機翼。

保持風速，飛機上的機翼可能比直升機上的機翼大得多。額外的表面積會以較低的速度產生更大的升力。

為了使其更加複雜，所有“飛機”能量都用於推動飛船前進。而已。一架飛機只能向一個方向行駛。它們實際上並沒有按照它們在指定方向上“掉落”的程度旋轉（通過沿3軸的一側或另一側產生較小的升力）。另一方面，直升飛機必須花費一些精力才能“前進”。它的“向前”運動基本上被規定為像飛機一樣下降，但是隨後必須花費能量來產生更大的升力，而飛機只是向前運動。

TL; DR 我並不是真的一個蘋果一個蘋果，但是通過向前移動來產生相同的升力需要花費更少的能量，而旋轉翅膀並產生

巨大的通知。我使用了許多飛機的速度和飛行曲線。我使用的飛機是“塞斯納”飛機，但我在可以找到它們的地方取了一些數字，所以其中一些是最受歡迎的172個，還有其他變體。直升機的數量甚至更多。我試圖將其保留在重量更輕的直升機上，但我可能沒有成功。重要的一點是理論是正確的，但不要試圖以任何實際方式指望數學。

另一個要點，某些VTOL工藝確實確實會降低氣壓，但這效率甚至比旋轉小翅膀還差。簡而言之，向下推就可以像火箭一樣，在頂部產生較小的壓力，而“漂浮”則是一架飛機。

本文是一種誤導性的概括，因為它是我在飛行訓練中學到的第一件事。飛機不會通過“向空中扔空氣”來飛行，而是通過產生降低的氣壓來使飛機向上（因此，“升起”）並向前（推力）工作。機翼和螺旋槳（以及渦輪機）都是機翼，當機翼穿過機翼時，其上曲面會加速空氣流動，從而降低氣壓。機翼上方的空氣壓力相對降低，機翼下方和螺旋槳後方的空氣壓力相對較高，這使飛機上下浮動。

一個事實是，流過機翼的空氣向下偏轉，隨著飛機的飛行，一些空氣被壓縮到機翼下方，但在使飛機保持飛行狀態的過程中所佔的比例要小得多。

機翼後面的氣壓降低會產生阻力，並且是升力的副產品。升力表面和飛機機體的表面摩擦也是阻力的組成部分。隨著高壓氣流和低壓氣流的會聚和盤旋而在翼尖產生的渦旋也可能是阻力的重要組成部分，並且會引起湍流，從而影響其他飛機。

問題的另一部分，使用傳統的活塞和噴氣發動機（火箭發動機通過膨脹氣體產生推力）來產生升力和推力遵循相同的原理。也許最明顯的例子之一是魚鷹傾斜式旋翼飛機，它具有大型螺旋槳，可以根據發動機的角度產生升力，推力以及兩者之間的任意組合。

@ ymb1關於推力的類比一個盒子是一個很好的選擇。垂直於重力運動（即，向前移動機翼）所承受的力要比簡單地使其重力相反（即，向下推力）要小。因此，從結構和復雜性的角度來看，機翼是一種更有效的選擇。

讓我們回到過去，詢問嘗試進行人力飛行的先驅。與依靠垂直推力的設計相比，機翼設計的效率更高。這種效率鼓勵了進一步的研究。

機翼在適當的空速下產生的升力取決於壓力。壓力還負責船上的升力（浮力）（水壓而不是空氣）。您可以向潛水艇設計師詢問有關放棄壓載物並增加向下螺旋槳以保持深度的問題。

儘管機制不同，但熱氣球可以證明使用不同的工程原理產生相同的舉升需要不同的能量。實際上，小型噴氣發動機可用於產生足夠的熱空氣，以帶支架升起氣球。但是，將小型發動機指向下方將無法提供足夠的推力來實現等效升力。

這有點像比較蘋果和橘子嗎？在沒有外界力量的情況下，沒有發動機驅動機翼的機翼幾乎無法將您帶入空中。

引擎可以通過向下指向來產生“升力”。要離開地面，發動機將不得不產生推力以抵消其重量。如果添加機翼，則可以以較小的推力進入空中。因此，機翼需要多少推力才能提升發動機的效率，才能成為空降兵。

@Dmitry Gregoriev的出色答案：可能是您的問題歸結為：為什麼固定翼比圓盤形翼更有效率。

由於起吊線理論。在有限的跨度上創建給定的提升量，跨度越大，效率越高。

機翼是一種將大量空氣向下加速的經濟方法。自然選擇比其他選擇更選擇系統的事實可能意味著機翼是最經濟的解決方案...