上海交通大學致遠學院 我要飛得更高 卢艺舟/盧藝舟 2012/7/3
上海交通大學致遠學院 我要飛得更高 卢艺舟/盧藝舟 2012/7/3
飛翔，展翅翻翔於天空，自古就是人們的夢想。從大瞻的實驗家萬戶 第一次真正飛離地面開始，人們就嚮往著飛翔·就連神話傅說中神通 廣大的各路神仙妖怪的騰雲駕霧，都處處透著對於"飛"的嚮往。 炎炎夏日，萬物復蘇。我是比較喜歡散步于林蔭小路的人，夏日 的上海悶熟異常，只有林間小路還有些許清涼。前幾日在林間散步時 偶然看到一幕貓咪撲麻雀的劇集，頗有意思。猫咪在草叢裡躡手躡腳 蟄伏好久，瞅準時機凌空就向還在啄食的小麻雀撲去，可不成想小小 麻雀雖然個頭不大·卻十分靈活，只是撲扇兩下翅膀，就躲開了貓咪 的致命一擊。 圓1貓咪被戲 我想眾位看官大概和我一樣的想法，覺得這小麻雀應該盤旋幾圈， 戲謔一下貓咪，但小麻雀有它自己的驕傲，遠走高飛，最後還吱吱叫
飛翔，展翅翱翔於天空，自古就是人們的夢想。從大膽的實驗家萬戶 第一次真正飛離地面開始，人們就嚮往著飛翔。就連神話傳說中神通 廣大的各路神仙妖怪的騰雲駕霧，都處處透著對於"飛"的嚮往。 炎炎夏日，萬物復蘇。我是比較喜歡散步于林蔭小路的人，夏日 的上海悶熱異常，只有林間小路還有些許清涼。前幾日在林間散步時 偶然看到一幕貓咪撲麻雀的劇集，頗有意思。貓咪在草叢裡躡手躡腳 蟄伏好久，瞅準時機淩空就向還在啄食的小麻雀撲去，可不成想小小 麻雀雖然個頭不大，卻十分靈活，只是撲扇兩下翅膀，就躲開了貓咪 的致命一擊。 圖 1 貓咪被戲 我想眾位看官大概和我一樣的想法，覺得這小麻雀應該盤旋幾圈， 戲謔一下貓咪，但小麻雀有它自己的驕傲，遠走高飛，最後還吱吱叫
唤兩聲，頗為不屑，留下猫咪自己原地跳腳。 小麻雀只是人類定義的所調“食物鏈”最底層的一介“小物”， 只因為會飛，就高高在上了許多我不禁納悶，人類自詡為“最高等” 生物，卻連區區飛翔這件小事都不會，真是大大的丢面子啊！ 其實關於飛翻的種種嘗試，很早就開始了。現在假設我們自己要 來設計一種飛行方式。它可以是一個改善人類自身的方案，也可以是 一架美輪美奥的飛行器。你有沒有想過它會是什麼樣子的呢？ 首先讓我們來想想有什麼方式能讓我們飛得更高呢？ 當然要有翅膀。這是第一步，就像吃飯要有餐具。（沒有翅膀的 飛翔是不是太不莊重了啊.)可是翅膀的樣式呢，是像飛機那樣直直 硬硬的？還是像蝴蝶一樣軟軟的有很多關櫛？這一點我們一會兒再 來討論。 然後，或許我們需要一個強勁一些的動力來助推我們升空。一定 有人想到了火箭，根據動量守恆原理來獲得豎直向上的速度真是簡單 的不得了。不錯，這的確是一個好辦法，但是火箭燃燒起來的高溫並 不是所有人都能忍受得了的哦（當然我們需要假設不是每個人都是超 人啦)。既然如此，我們何不直接模仿鳥類，自己撲扇翅膀。事實上 這種方式是“賠了夫人又折兵”的，我們將在後面告訴大家為什麼。 而且，也確實存在一種很方便很省力的助推方式。 一，有了翅膀好辦事 先來看看自然界中的翅膀吧，畢竟鳥類演化幾百萬年的結果比我
喚兩聲，頗為不屑，留下貓咪自己原地跳腳。 小麻雀只是人類定義的所謂“食物鏈”最底層的一介“小物”， 只因為會飛，就高高在上了許多。我不禁納悶，人類自詡為“最高等” 生物，卻連區區飛翔這件小事都不會，真是大大的丟面子啊！ 其實關於飛翔的種種嘗試，很早就開始了。現在假設我們自己要 來設計一種飛行方式。它可以是一個改善人類自身的方案，也可以是 一架美輪美奐的飛行器。你有沒有想過它會是什麼樣子的呢？ 首先讓我們來想想有什麼方式能讓我們飛得更高呢？ 當然要有翅膀。這是第一步，就像吃飯要有餐具。（沒有翅膀的 飛翔是不是太不莊重了啊…）可是翅膀的樣式呢，是像飛機那樣直直 硬硬的？還是像蝴蝶一樣軟軟的有很多關節？這一點我們一會兒再 來討論。 然後，或許我們需要一個強勁一些的動力來助推我們升空。一定 有人想到了火箭，根據動量守恆原理來獲得豎直向上的速度真是簡單 的不得了。不錯，這的確是一個好辦法，但是火箭燃燒起來的高溫並 不是所有人都能忍受得了的哦（當然我們需要假設不是每個人都是超 人啦）。既然如此，我們何不直接模仿鳥類，自己撲扇翅膀。事實上 這種方式是“賠了夫人又折兵”的，我們將在後面告訴大家為什麼。 而且，也確實存在一種很方便很省力的助推方式。 一， 有了翅膀好辦事 先來看看自然界中的翅膀吧，畢竟鳥類演化幾百萬年的結果比我
們頭腦風暴來得經得起考驗。 蜂鳥，以其世界上最小的個頭而在鳥類中聞名。其實這種個頭只 有幾公分的小鳥最厲害的地方是它們飛行的技藝。蜂鳥是唯一一種可 以懸停在空中，而且可以即時向左或者向右飛甚至向後退的鳥類。剛 開始研究蜂鳥的物理學家紛紛認為這是因為它足夠小，（這是顯然的！ 我們當然知道它足夠小！)而小體積導致低雷諾數使得蜂鳥可以輕易 的飛起來，甚至是懸浮。（雷諾數是流體力學上的概念’是流體慣性 力與粘性力的比值，此值越小，可以理解為越易在空氣中保持懸停) 但是高速攝像機的發明證明了這種猜測的錯誤性。高速攝像機下， 可以看到蜂鳥以每秒15~80次的速度煽動翅膀，這速度比正常鳥類的 好幾倍，這才是懸停的密碼所在！ 圖2懸停的劍喙蜂鳥 不要高興的太早，關於蝴蝶飛行方式的一些研究可能會讓你大失 所望。著名的“蝴蝶效應”告新我們，一隻南美洲亞馬遜河流域熟帶
們頭腦風暴來得經得起考驗。 蜂鳥，以其世界上最小的個頭而在鳥類中聞名。其實這種個頭只 有幾公分的小鳥最厲害的地方是它們飛行的技藝。蜂鳥是唯一一種可 以懸停在空中，而且可以即時向左或者向右飛甚至向後退的鳥類。剛 開始研究蜂鳥的物理學家紛紛認為這是因為它足夠小，（這是顯然的！ 我們當然知道它足夠小！）而小體積導致低雷諾數使得蜂鳥可以輕易 的飛起來，甚至是懸浮。（雷諾數是流體力學上的概念，是流體慣性 力與粘性力的比值，此值越小，可以理解為越易在空氣中保持懸停） 但是高速攝像機的發明證明了這種猜測的錯誤性。高速攝像機下， 可以看到蜂鳥以每秒 15~80 次的速度煽動翅膀，這速度比正常鳥類的 好幾倍，這才是懸停的密碼所在！ 圖 2 懸停的劍喙蜂鳥 不要高興的太早，關於蝴蝶飛行方式的一些研究可能會讓你大失 所望。著名的“蝴蝶效應”告訴我們，一隻南美洲亞馬遜河流域熱帶
雨林中的蝴蝶，偶爾煽動幾下翅膀，可以在兩周以後起美國德克蓬 斯州的一場龍捲風。當然我們不是要去研究蝴蝶效應，只是這其中對 於蝴蝶撲扇翅膀的速度的暗示，導致了一個令人震驚的結果。偶爾煽 動幾下翅膀的慢悠悠的蝴蝶，竟然也可以懸停！！ 那是不是說明還是因為它們的個頭很小，才可以懸停呢？當然不 是！導致蝴蝶可以懸停的原因概括起來可以總結為：“效率至上”。 (下面是比較籠統的解釋。我們先要承認，煽動翅膀一個來回是 由一上一下雨個動作組成，鳥類通過向下時推動空氣產生的反作用力 升空，同時通過减少向上時阻礙其升空的反作用力來提高飛行效率。 而蝴蝶的這兩個動作，經過“精心設計”的翅膀，能夠獲得同樣的向 上的反作用升力，這就是蝴蝶的秘密。) 下张 圖3懸停的蝴蝶。由於紙質版的限制，無法重現蝴蝶翅膀的真正奥秘
雨林中的蝴蝶，偶爾煽動幾下翅膀，可以在兩周以後引起美國德克薩 斯州的一場龍捲風。當然我們不是要去研究蝴蝶效應，只是這其中對 於蝴蝶撲扇翅膀的速度的暗示，導致了一個令人震驚的結果。偶爾煽 動幾下翅膀的慢悠悠的蝴蝶，竟然也可以懸停！！ 那是不是說明還是因為它們的個頭很小，才可以懸停呢？當然不 是！導致蝴蝶可以懸停的原因概括起來可以總結為：“效率至上”。 （下面是比較籠統的解釋。我們先要承認，煽動翅膀一個來回是 由一上一下兩個動作組成，鳥類通過向下時推動空氣產生的反作用力 升空，同時通過減少向上時阻礙其升空的反作用力來提高飛行效率。 而蝴蝶的這兩個動作，經過“精心設計”的翅膀，能夠獲得同樣的向 上的反作用升力，這就是蝴蝶的秘密。） 圖 3 懸停的蝴蝶。由於紙質版的限制，無法重現蝴蝶翅膀的真正奧秘
=0 t=0 IT t=02T t=03T =04T t=05T =06T =07T =08T =09T 1OT 圖4蝴蝶懋停的模凝模凝
圖 4 蝴蝶懸停的模擬模擬
如此看來，擁有一雙柔軟而多關節的翅膀或許能更有效飛行。而 想要飛得更高更遠，對於翅膀的設計，需得下一番功夫。 二、紛繁複雜的動力 上面我們在討論鳥類或蝴蝶的翅膀的時候已經提及過它們獲得 動力（升力）的方式一一通過煽動翅膀向下推動空氣，從而獲得向上 的反作用力。那麼我不禁想問，是不是我們人類也可以通過煽動翅膀 來獲得升力呢？ 那讓我們通過簡單的計算來試試看。 我們來取蜂鳥的模型做比較。蜂鳥體重約20公克，人類體重80 公斤，是蜂鳥的4000倍左右。蜂鳥的翅膀長度10公分左右，寬度5 公分。假設人類煽動翅膀的速度和蜂鳥一樣快，那麼人類想要能夠懸 停的話，需要兩張6米×3米的翅膀！這是驚人的，人類翅膀展開竟 然有一個教室那麼大！(12米) 看來通過撲扇翅膀來獲得升力不是個好辦法，那還有什麼比較好 的動力呢？ 火箭。對，火箭！我們之前就有提到過，不是嗎？但是火箭之所 以也不夠可行，是因為其過高的溫度。它的外焰溫度往往需要產到 2000攝氏度以上。另外，通過火箭來長途飛行，噴射的壓缩氣體將 會是一個比較難以解決的問題。 熱氣球。初中時候不是學過，熱的氣體會向上漂浮嗎？沒錯，但 還有其局限性。熱氣球的局限性在於轉向。即使熟練的熱氣球駕駛員
如此看來，擁有一雙柔軟而多關節的翅膀或許能更有效飛行。而 想要飛得更高更遠，對於翅膀的設計，需得下一番功夫。 二、紛繁複雜的動力 上面我們在討論鳥類或蝴蝶的翅膀的時候已經提及過它們獲得 動力（升力）的方式——通過煽動翅膀向下推動空氣，從而獲得向上 的反作用力。那麼我不禁想問，是不是我們人類也可以通過煽動翅膀 來獲得升力呢？ 那讓我們通過簡單的計算來試試看。 我們來取蜂鳥的模型做比較。蜂鳥體重約 20 公克，人類體重 80 公斤，是蜂鳥的 4000 倍左右。蜂鳥的翅膀長度 10 公分左右，寬度 5 公分。假設人類煽動翅膀的速度和蜂鳥一樣快，那麼人類想要能夠懸 停的話，需要兩張6 米 × 3 米的翅膀！這是驚人的，人類翅膀展開竟 然有一個教室那麼大！（12 米） 看來通過撲扇翅膀來獲得升力不是個好辦法，那還有什麼比較好 的動力呢？ 火箭。對，火箭！我們之前就有提到過，不是嗎？但是火箭之所 以也不夠可行，是因為其過高的溫度。它的外焰溫度往往需要達到 2000 攝氏度以上。另外，通過火箭來長途飛行，噴射的壓縮氣體將 會是一個比較難以解決的問題。 熱氣球。初中時候不是學過，熱的氣體會向上漂浮嗎？沒錯，但 還有其局限性。熱氣球的局限性在於轉向。即使熟練的熱氣球駕駛員
可以通過改變高度來借由不同層面不同的風向來改變方向，但是這是 一個很靠運氣的行為，對天氣的掌握也要求非常高。 飛機。好吧，終於說到飛機了。小時候都做過一個小實驗：把一 張紙對折，一面是平直的，一面是横截類似抛物線的曲面，用吹風機 對折紙片的邊缘吹氣。發生了什麼？對，紙片會向曲面的那面偏。這 就是飛機能夠飛起來的奥秘。利用同一流體中流速越大的位置壓強越 小這一原理，在機翼上方產生速度快的流場，從而產生向上的壓強， 獲得向上的升力。 后缘 前缘 压力中心 弦线 Y升力 R总空气动力Q阻力 置5機翼剖面画及受力分析 通過近一百年時間的發展，飛機航太已經成為了一門相當成熟的 產業了。然而它依然具有很多我們之前提到撾的弊端：機翼過大，引 擎的功率過高（非常危險！你不能靠它太近！)，對燃料的依賴性太 強。這些都有待於改善。 最後你可能還會想到直升飛機，它又是如何獲得升力的呢？螺旋 槳。直升飛機的螺旋槳和蝴蝶的翅膀一樣奇妙，因為它也是一直不停
可以通過改變高度來借由不同層面不同的風向來改變方向，但是這是 一個很靠運氣的行為，對天氣的掌握也要求非常高。 飛機。好吧，終於說到飛機了。小時候都做過一個小實驗：把一 張紙對折，一面是平直的，一面是橫截類似抛物線的曲面，用吹風機 對折紙片的邊緣吹氣。發生了什麼？對，紙片會向曲面的那面偏。這 就是飛機能夠飛起來的奧秘。利用同一流體中流速越大的位置壓強越 小這一原理，在機翼上方產生速度快的流場，從而產生向上的壓強， 獲得向上的升力。 圖 5 機翼剖面圖及受力分析 通過近一百年時間的發展，飛機航太已經成為了一門相當成熟的 產業了。然而它依然具有很多我們之前提到過的弊端：機翼過大，引 擎的功率過高（非常危險！你不能靠它太近！），對燃料的依賴性太 強。這些都有待於改善。 最後你可能還會想到直升飛機，它又是如何獲得升力的呢？螺旋 槳。直升飛機的螺旋槳和蝴蝶的翅膀一樣奇妙，因為它也是一直不停
的向下推動空氣。但是由於直升飛機本身的重量和體積太大，螺旋槳 的轉速比蝴蝶撲扇翅膀要快多了。 那它又是如何轉向·如何水準前進的呢？轉向是通過機尾部一個 豎直放置的螺旋槳來控制的·這很好理解。但是我們都很少能夠注意 到機尾還有一個水準放置的螺旋槳。當這個螺旋槳旋轉起來的時候， 機尾會向上傾斜，於是前面大螺旋槳產生的推力就出現了一個向前的 分量，推動直升飛機向前。（不撾現在的直升飛機已經講這兩個螺旋 槳合二為一了) 圖6螺旋槳 寫了這麼多卻猛然發現以上這些動力模型與原理都有其優勢，同 時又不可避免的有些缺陷。 其實從幾十個世紀前我們的祖先第一次認真觀察鳥類開始，飛翻 這個夢就已經根深蒂固的植入在我們每個人心中了，翻翔於天際的美 好，值得人類用很多時間和精力去追尋。而真正完美的飛行器還需要 我輩努力去創造去完善
的向下推動空氣。但是由於直升飛機本身的重量和體積太大，螺旋槳 的轉速比蝴蝶撲扇翅膀要快多了。 那它又是如何轉向、如何水準前進的呢？轉向是通過機尾部一個 豎直放置的螺旋槳來控制的，這很好理解。但是我們都很少能夠注意 到機尾還有一個水準放置的螺旋槳。當這個螺旋槳旋轉起來的時候， 機尾會向上傾斜，於是前面大螺旋槳產生的推力就出現了一個向前的 分量，推動直升飛機向前。（不過現在的直升飛機已經講這兩個螺旋 槳合二為一了） 圖 6 螺旋槳 寫了這麼多卻猛然發現以上這些動力模型與原理都有其優勢，同 時又不可避免的有些缺陷。 其實從幾十個世紀前我們的祖先第一次認真觀察鳥類開始，飛翔 這個夢就已經根深蒂固的植入在我們每個人心中了，翱翔於天際的美 好，值得人類用很多時間和精力去追尋。而真正完美的飛行器還需要 我輩努力去創造去完善