揭开飞行的奥秘

人类自古以来就怀揣着飞行的梦想，渴望像鸟儿一样自由翱翔于蓝天之上。从古代的风筝、竹蜻蜓、滑翔机，到现代的螺旋桨和涡轮喷气飞机，人类经过不断的尝试和实践，探索飞行的可能性。1903年，莱特兄弟制造出世界第一架飞机，终于实现了人类飞上蓝天的梦想。人类在揭开飞行奥秘的过程中有哪些曲折的经历？哪些科学家为人类航空事业作出了突出贡献？空气动力学专业到底要学习哪些知识？

人类飞行的梦想

人类从飞鸟中得到启示，在长期的探索中，对飞行的认识从神话到实现，经历了上千年的历史。人类真正实现遨游天空的梦想，应归功于近代100多年的历史。

自1903年12月17日，美国莱特兄弟发明人类第一架带动力的飞机以来，人类开创了航空新纪元。经过121年的努力，我们不仅掌握了飞行的奥秘，还克服了各种技术难关，研制出了不同类型和用处的飞行器，取得了二十世纪人类史上最伟大的科技成果，为社会的文明发展起到了巨大的促进作用。

人类虽然没有翅膀，但有一个具有无限创造力的大脑，通过对鸟的飞行奥妙的认知与实践制造出的各种飞行器，在尺度、飞行高度、飞行速度、飞行航程、复杂程度等方面，远非鸟所及。这其中，空气动力学起到了关键性的作用。

如果我们把人类探索飞行奥妙的追梦过程分成三个阶段，将近有1700多年人们是在探索飞行的奥妙和尝试与实践当中度过的。有将近380年的时间，人们是在进行模仿鸟的实验和探索与升力有关的实践。100多年的时间里，人们将这些力学的成果运用到了飞机研究当中。

起初，由于人们缺乏对重力的认识，以为物体离开地面不受重力的影响。那时的飞天传说充满了玄秘与浪漫的色彩，如中国远古帝王的女儿嫦娥奔月无需借助产生上举力（升力）的器械，便凭风飘然而起，如同失重一般升空。

通过对鸟类飞行的观察，古希腊人已经认识到翅膀扑动对飞行的重要性，于是为丘比特象征性地加上了一对小翼，只是这样的翅膀对于如此重的人体还是显得力不从心。

我国唐代诗人李白有句诗：“大鹏一日同风起，扶摇直上九万里。”当风速达到一定程度以后，大鹏可以借助风与鸟翼的相对运动，扶摇直上。如果风停下来，大鹏降落到水面，通过鸟翼的气流运动仍然可以扬起江海里的水，这就是李白已经注意到空气与鸟的相对运动可以产生升力的道理。

飞行的奥秘与空气动力学

在人类的尝试与实践当中，人们认识到升天首先要克服重力。通过对力的认识逐渐地加以思考，从幻想走向实践，早期的飞行器，如孔明灯、风筝、竹蜻蜓以最朴素的方式解决了升力的问题。

比如，孔明灯五面封闭底面镂空，并且装有烛灯。灯内空气被加热后，空气分子密度小于周围大气，故产生向上的浮力，从而克服重力，升上天空。此后的热气球和孔明灯原理相同。

然而这样的道理一直没有形成科学的研究历程，只有在1783年6月5日，法国蒙哥尔兄弟用麻布制成热气球，完成了升空的表演，这是历史上、科学史上第一个关于气球升空的记载。

走马灯的原理是：当灯笼内的灯烛点燃后，热气上升，形成气流，从而推动轮轴旋转，于是剪纸随轮轴转动。走马灯的原理真正用在工业部门是荷兰的风车，到了16世纪-17世纪，风车对荷兰的经济有着特别重要的作用。

早期的飞行器可以升天，却无法控制飞行姿态。如何才能像鸟儿一样自如飞行呢？您细心观察会发现，当鸟需要俯仰或转向时，它们或是身体倾斜，或是扭动尾翼，因此，引入了力矩的概念。

关于机翼产生升力方面，也许是受中国风筝的启发，在空气动力学之父英国科学家凯利的科学理论指导下，通过对鸟翼面积、鸟的体重和飞行速度的观察，估算出速度、翼面积和升力之间的关系，在1809年其所发表的《论空中航行》著名论文中，提出了人造飞行器应该将推进动力和升力面分开考虑的设想，使更多人放弃了单纯模仿鸟的扑翼，逐渐接受和实践了固定翼技术产生升力的正确原理。

德国工程师和滑翔飞行家李林达尔，是制造与实践固定翼滑翔机航空先驱之一。李林达尔制造了多架单翼或双翼滑翔机，并在柏林附近试飞2000多次，积累了丰富资料，为日后美国莱特兄弟实现动力飞行提供了许多宝贵教益。

1903年12月17日，莱特兄弟制造出世界第一架飞机，终于实现了人类飞上蓝天的梦想。

莱特兄弟之所以能够实现人造带动力飞行的壮举，主要依赖于三个方面的条件，第一，凯利的空气动力学的理论指导。第二，李林达尔滑翔机试飞实验数据。第三，莱特兄弟具有很强的创新实践能力。

莱特兄弟试飞的鸭式双侧翼飞机翻开了人类航空史上的重要一页，从此人类实现了带动力飞行的固定翼飞机，让人类进入航空文明时代。

来源：北京科学中心

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