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空氣動力學(xué)及飛行幻想

佚名 2025-03-26 11:31:43

空氣動力學(xué)及飛行幻想

有趣的是

，古代中國人對空氣動力學(xué)與飛行關(guān)系作出了最早的科學(xué)猜測
?div id="jfovm50" class="index-wrap">！?a href="/ddjy_100/224.html">莊子·逍遙游》寫道：“風(fēng)之積也不厚
，則其負大翼也無力
。故九萬里則風(fēng)斯在下矣
，而后乃今培風(fēng)
；背負青天而莫之夭閼〔e厄〕者
，而后乃今將圖南
?div id="jfovm50" class="index-wrap">！币馑际钦f
，大氣若是沒有足夠的厚度
，那么它要承載巨大的翅膀就沒有力量
。所以大鵬展翅九萬里，那是由于它下有大氣的支托
，后有快速流動的旋風(fēng)
；因此它背負青天飛行而沒有阻礙
，然后才能飛往南海
。想象奇特的莊子在此推測了大鵬展翅九萬里的力學(xué)原因
。他的設(shè)想
，包括了飛行物體的“翼”
、大氣及其阻力
、大風(fēng)或旋風(fēng)的舉力
。這個設(shè)想幾乎包含了近代飛行動力學(xué)中全部物理因素
。直到近代科學(xué)誕生之后
，甚至到19—20世紀才逐漸地
、緩慢地得到科學(xué)證實
。17世紀后期
，惠更斯(C.Huygens
，公元1629—1695年)首先估算了物體在空氣中運動的阻力
；18世紀
，牛頓將這種阻力表述為數(shù)學(xué)式
。此后
，隨著流體力學(xué)和航空技術(shù)的發(fā)展
，20世紀初人們才提出飛行機翼或翼型
、飛行器所需的舉力
、減小飛行阻力和提高速度等問題
，證實了莊子在《逍遙游》中的猜想
。

科學(xué)想象到科學(xué)實踐之間的確有一段相當長遠的距離

。要實現(xiàn)科學(xué)想象
，尚需付出艱辛的勞動，甚至一代又一代孜孜不倦的探索
。從《莊子》的想象到飛機最終在天空中安全飛行，人們付出了多少代價
，就可想而知了
。我們暫且撇開飛行動力學(xué)的理論問題不談，而先談?wù)劰糯袊怂鞒龅挠兄陲w行技術(shù)發(fā)展的某些努力
、幻想、發(fā)明
，看看他們的舉動哪些是幼稚的，哪些是聰明的
。

眾所周知

，戰(zhàn)國時期的墨子曾和他的弟子花三年工夫制造一只會飛行的木鳶
。東漢張衡也創(chuàng)制了飛行木鳥，“假以羽翮
，腹中施機，能飛數(shù)里”(《太平御覽》卷七五二引《文士傳》)
。可惜
，這些記載過于簡略
，我們難于推測其中的奧秘
。然而
，中國人發(fā)明的風(fēng)箏被世界航空史界公認為最早的飛行器
。對于16世紀之前的歐洲人來說
，它是聞所未聞的東西
。第一次世界大戰(zhàn)前
，某些飛行先驅(qū)稱自己的試驗飛機是“動力風(fēng)箏”
、“巢形風(fēng)箏”
，可見它對動力學(xué)思想的發(fā)展曾起著重要作用。

風(fēng)箏

，初名為紙鳶、紙鷂
、風(fēng)鳶
，形狀似鳥
。它在空中飛行受到三種力的作用：重力
、空氣動力和拉線張力
。(圖2-19)稍有氣流
，它就上升
。放風(fēng)箏者常拉緊線奔跑
，借助相對氣流運動使之飄浮升空
。無風(fēng)時
，它因重力而下降
。風(fēng)箏飛行是沿一大圓弧運動
，拉線之長即其運動軌道的半徑
。它與飛機相似之處是
，都有羽翼
，靠氣流浮力上升
。當然
，飛機尚有機械動力的作用
。

圖2-19風(fēng)箏受力作用示意圖

關(guān)于風(fēng)箏的起源有多種說法

。較為可靠的是起源于6世紀
。梁武帝太清三年(公元549年)
，侯景反于壽陽
，圍臺城
。簡文帝在城內(nèi)糧草斷絕
，外無援兵。困守之際
，一名叫“羊車兒”的戰(zhàn)士向簡文帝“獻計作紙鴉
，系于長繩
，藏敕于中
。簡文帝出太極殿前
，因西北風(fēng)而放
，冀得書達援軍
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！?《通紀》卷七)這大概是風(fēng)箏發(fā)明最早的確切記載
。此后200年
，即公元781年
，唐朝節(jié)度使田悅反叛
，攻臨洺城
。守將張伾在糧儲漸乏之時
，放風(fēng)箏告求援軍
。他“以紙為風(fēng)鳶，高百余丈
，過悅營上。悅使善射者射之
，不能及
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！?《新唐書·田悅傳》
、《舊唐書·張伾傳》)可見
，風(fēng)箏的發(fā)明是與軍事通訊密切相關(guān)的
。后成為宮中娛樂
，至于為平民百姓
、尤其是兒童的嬉玩之物，那更是后來的事了
。南宋時，市上就有專賣風(fēng)箏的經(jīng)紀人了
。詩人以此為題賦詩
，畫家也以此作畫
。

除了風(fēng)箏之外

，東晉的學(xué)者葛洪發(fā)明的“飛車”是直升旋翼和飛機螺旋槳的始祖
。據(jù)《抱樸子·內(nèi)篇》卷一五記載
，它的主要部件是一個加工成斜面或彎曲面的薄竹片
，如圖2-20
。薄竹片類似向下吹風(fēng)的風(fēng)扇葉
。竹片中央榫接一根直立軸
。將繩帶以類似木工用的弓鉆方式絞紐在立軸上
。拉動繩帶
，竹片急速旋轉(zhuǎn)
。旋轉(zhuǎn)著的竹片借其彎曲面造成的氣流而上升
。葛洪稱這股強烈的氣流為“罡風(fēng)”
。

葛洪的“飛車”

，后來稱為“竹蜻蜓”，成為兒童喜好的玩器
。它傳到歐洲后，被稱為“中國陀螺”
，并引起了早期航空實驗家們的極大注意。他們紛紛仿造竹蜻蜓
，并由此引發(fā)了直升機旋翼和螺旋槳的設(shè)計構(gòu)想。

向下壓弓

圖2-20竹蜻蜓

前述陀螺和平衡環(huán)也是飛行機械中不可缺少的部件。還有

，雨傘、陽傘
，特別是具有滑動杠桿的折疊式傘也是中國人發(fā)明的
。傳說中的舜帝在受其繼母虐待時
，曾手持兩笠從高處跳下而免遭禍害
。(《史記·五帝本紀》)南宋時
，有人手持兩傘從屋脊跳下竟安然無恙
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？梢?div id="d48novz" class="flower left">
，“降落傘”的概念在中國也有悠久的歷史
。18世紀的歐洲人
，曾受到中國歷史上的這些記載啟發(fā)
，而進行跳傘實驗
。由此可知，古代中國人對飛行動力和飛行技術(shù)曾作過多種多樣先行性的探索
。

在人類進化史的早期，可能某些人已產(chǎn)生飛行幻想

。人們見鳥自由飛行，便希望自己也能遨游太空
。在幻想支配下
，中國古代也有許多關(guān)于“羽人”、“飛天”的神話和圖畫
。漢代藝術(shù)家曾用銅鑄造了兩個羽人跪座像。其人形狀奇特
，長臉尖鼻，顴骨與眉骨隆起
，雙耳高過頭頂
，腦后錐形發(fā)髻，背部長兩只巨大翅膀
。在航空科學(xué)尚處愚昧的古代
，美好的神話幻想往往會促使勇敢者去實踐一番
。公元19年
，中國人首次進行了滑翔飛行嘗試
。

其時

，西漢末年
，王莽政權(quán)與匈奴交戰(zhàn)
。王莽意欲召天下有奇術(shù)之士
，以為反攻匈奴之兵將
。受名利的驅(qū)動
，有人聲言自己不食米谷而可作戰(zhàn)數(shù)月
；有人揚言自己不用舟楫可使三軍渡江；也有人說
，自己能飛，一日千里
，可在天空窺探匈奴軍情。應(yīng)招募者不下萬計
，個個躍躍欲試，以圖一官半職
。王莽一一召驗
。據(jù)載
，那些聲稱會飛天的人
，身著羽毛
，作成鳥
，架翅膀以為翼
，身上還裝有環(huán)紐機關(guān)
，從山頂滑翔而下。雖有的飛數(shù)百步而墜
，但幾乎都一個個摔得鼻青臉腫
。王莽“知其不可用
，茍欲獲其名”
，也就滿足他們愿望，凡未摔死的“皆拜為理事
，賜以車馬”(《漢書·王莽傳》)。這大概是航空史上最早的
，也是最大規(guī)模的一次人類飛行試驗。

與這些自愿充當“羽人”而挨摔的冒險者相比

，北齊文宣帝高洋(公元529-559年)卻是個以飛行實驗殺人的暴君。一次
，他下令讓那些死囚
，以紙翼
、草翼為翅
，從金鳳臺上飛下
，如安全著地
，則可獲赦。名為“放生”
，實則視其摔死為樂。其中唯有一人叫“元黃頭”的死囚隨風(fēng)“飛”到城外安全降落
。或許他曾受過滑翔訓(xùn)練
，成為唯一的幸存者。盡管此人后來仍被文宣帝活活餓死(《資治通鑒》卷一六七)
，但卻是一次成功的飛行
。

自然

，這些飛人實驗，幾乎都以仿效鳥的飛行進行的。既無機械助飛
，也無保護措施，當然是一種極為危險的嘗試
。

古代人也有“飛車”的設(shè)想。最早的想象可能是西晉郭璞在注《山海經(jīng)》中以神話故事講出來的

。他說
，有一個稱為“奇肱國”的國民
，善于機巧
，能作飛車
，從風(fēng)遠行
。后來
，這樣的故事越編越多
。到了明清時代
，又有人畫圖示之
。明初成書的《異域圖志》中
，繪有兩人在空中合乘一車
，車輪中輪齒的方向?qū)χL(fēng)向，恰似一立式風(fēng)輪
。(圖2-21)清代成書的《山海經(jīng)存》繪有另一種飛車圖：車輪頗有螺旋槳意味。(圖2-22)
。顯然，自葛洪創(chuàng)制竹蜻蜓以來
，人們對于螺旋槳式葉輪在飛行中的作用無疑有著深刻的印象。

圖2-21《異域圖志》繪“奇肱飛車”

這種科學(xué)幻想到后來成為章回小說的部分內(nèi)容

。清代李汝珍在其著《繪圖鏡花緣》(成書于1829年)中描寫并繪畫的飛車
，是一件極為有趣的事
。李汝珍就飛車的設(shè)想寫道：

國舅家人已將三輛飛車搭放院中

，都向西方
，按次擺了
。眾人看時
，那車只有半人高
，長不滿四尺，寬約二尺有余
，系用柳木如窗欞式做成，極其輕巧
。周圍用鮫綃為幔，車內(nèi)四面放著指南針
。車后拖一小木
，如船舵一般
。車下盡是銅輪
，大小不等
，有大如面盆的
，有小如酒杯的
，橫豎排列
，約有數(shù)百之多，雖都如同紙薄
，卻極堅剛。當時議定
，國舅、若花坐前車
；紅紅
、亭亭坐中車
；蘭蘭與仆人坐后車
。國舅把鑰匙交給仆人，又取三把鑰匙交給紅紅道：‘一是起匙
，一是行匙
，上面都有名目
，用時不可錯誤。如要車向左
，將舵朝右推去；向右
，朝左推去
。緊隨我車
，自無舛錯
?div id="d48novz" class="flower left">
！囍?div id="d48novz" class="flower left">
，有一鮫綃小帆
，如遇順風(fēng)
，將小帆扯起
，尤其迅速
。

圖2-22《山海經(jīng)存》繪飛車

李汝珍的想象多么豐富！他設(shè)想的飛車包括車制大小

、輕重、各種轉(zhuǎn)動齒輪或車輪
、操作機構(gòu)(舵)、起動與加速閥門(“起匙”與“行匙”)
、導(dǎo)航儀(指南針)等等
，幾乎將古代機械成就與空氣動力學(xué)知識都包括在內(nèi)了
。繪畫中的車輪極為類似螺旅槳葉(圖2-23)
。他想象如紙薄而堅剛的合金
，直到今天人們才勉強為之
。唯一不足的是，他沒有想象到飛車的動力設(shè)備
。

在空氣動力學(xué)知識如此高深的今天

，在各類飛行器漫游太空之時
，人們不會忘記古代中國人所作出的探索與成就
，在嘗試飛行的歷史上
，寫下了值得贊頌的一筆
。

圖2-23《繪圖鏡花緣》插圖

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