中国古代物理学-空气动力学及飞行幻想
来源：物理ok网
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时间：2015-01-27
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有趣的是，古代中国人对空气动力学与飞行关系作出了最早的科学猜测。《庄子·逍遥游》写道：“风之积也不厚，则其负大翼也无力。故九万里则风斯在下矣，而后乃今培风；背负青天而莫之夭阏〔e厄〕者，而后乃今将图南。”意思是说，大气若是没有足够的厚度，那么它要承载巨大的翅膀就没有力量。所以大鹏展翅九万里，那是由于它下有大气的支托，后有快速流动的旋风；因此它背负青天飞行而没有阻碍，然后才能飞往南海。想象奇特的庄子在此推测了大鹏展翅九万里的力学原因。他的设想，包括了飞行物体的“翼”、大气及其阻力、大风或旋风的举力。这个设想几乎包含了近代飞行动力学中全部物理因素。直到近代科学诞生之后，甚至到19—20世纪才逐渐地、缓慢地得到科学证实。17世纪后期，惠更斯(C.Huygens，公元1629—1695年)首先估算了物体在空气中运动的阻力；18世纪，牛顿将这种阻力表述为数学式。此后，随着流体力学和航空技术的发展，20世纪初人们才提出飞行机翼或翼型、飞行器所需的举力、减小飞行阻力和提高速度等问题，证实了庄子在《逍遥游》中的猜想。
科学想象到科学实践之间的确有一段相当长远的距离。要实现科学想象，尚需付出艰辛的劳动，甚至一代又一代孜孜不倦的探索。从《庄子》的想象到飞机最终在天空中安全飞行，人们付出了多少代价，就可想而知了。我们暂且撇开飞行动力学的理论问题不谈，而先谈谈古代中国人所作出的有助于飞行技术发展的某些努力、幻想、发明，看看他们的举动哪些是幼稚的，哪些是聪明的。
众所周知，战国时期的墨子曾和他的弟子花三年工夫制造一只会飞行的木鸢。东汉张衡也创制了飞行木鸟，“假以羽翮，腹中施机，能飞数里”(《太平御览》卷七五二引《文士传》)。可惜，这些记载过于简略，我们难于推测其中的奥秘。然而，中国人发明的风筝被世界航空史界公认为最早的飞行器。对于16世纪之前的欧洲人来说，它是闻所未闻的东西。第一次世界大战前，某些飞行先驱称自己的试验飞机是“动力风筝”、“巢形风筝”，可见它对动力学思想的发展曾起着重要作用。
风筝，初名为纸鸢、纸鹞、风鸢，形状似鸟。它在空中飞行受到三种力的作用：重力、空气动力和拉线张力。(图2-19)稍有气流，它就上升。放风筝者常拉紧线奔跑，借助相对气流运动使之飘浮升空。无风时，它因重力而下降。风筝飞行是沿一大圆弧运动，拉线之长即其运动轨道的半径。它与飞机相似之处是，都有羽翼，靠气流浮力上升。当然，飞机尚有机械动力的作用。
图2-19 风筝受力作用示意图
关于风筝的起源有多种说法。较为可靠的是起源于6世纪。梁武帝太清三年(公元549年)，侯景反于寿阳，围台城。简文帝在城内粮草断绝，外无援兵。困守之际，一名叫“羊车儿”的战士向简文帝“献计作纸鸦，系于长绳，藏敕于中。简文帝出太极殿前，因西北风而放，冀得书达援军。”(《通纪》卷七)这大概是风筝发明最早的确切记载。此后200年，即公元781年，唐朝节度使田悦反叛，攻临洺城。守将张伾在粮储渐乏之时，放风筝告求援军。他“以纸为风鸢，高百余丈，过悦营上。悦使善射者射之，不能及。”(《新唐书·田悦传》、《旧唐书·张伾传》)可见，风筝的发明是与军事通讯密切相关的。后成为宫中娱乐，至于为平民百姓、尤其是儿童的嬉玩之物，那更是后来的事了。南宋时，市上就有专卖风筝的经纪人了。诗人以此为题赋诗，画家也以此作画。
除了风筝之外，东晋的学者葛洪发明的“飞车”是直升旋翼和飞机螺旋桨的始祖。据《抱朴子·内篇》卷一五记载，它的主要部件是一个加工成斜面或弯曲面的薄竹片，如图2-20。薄竹片类似向下吹风的风扇叶。竹片中央榫接一根直立轴。将绳带以类似木工用的弓钻方式绞纽在立轴上。拉动绳带，竹片急速旋转。旋转着的竹片借其弯曲面造成的气流而上升。葛洪称这股强烈的气流为“罡风”。
葛洪的“飞车”，后来称为“竹蜻蜓”，成为儿童喜好的玩器。它传到欧洲后，被称为“中国陀螺”，并引起了早期航空实验家们的极大注意。他们纷纷仿造竹蜻蜓，并由此引发了直升机旋翼和螺旋桨的设计构想。
向下压弓
图2-20 竹蜻蜓
前述陀螺和平衡环也是飞行机械中不可缺少的部件。还有，雨伞、阳伞，特别是具有滑动杠杆的折叠式伞也是中国人发明的。传说中的舜帝在受其继母虐待时，曾手持两笠从高处跳下而免遭祸害。(《史记·五帝本纪》)南宋时，有人手持两伞从屋脊跳下竟安然无恙。可见，“降落伞”的概念在中国也有悠久的历史。18世纪的欧洲人，曾受到中国历史上的这些记载启发，而进行跳伞实验。由此可知，古代中国人对飞行动力和飞行技术曾作过多种多样先行性的探索。
在人类进化史的早期，可能某些人已产生飞行幻想。人们见鸟自由飞行，便希望自己也能遨游太空。在幻想支配下，中国古代也有许多关于“羽人”、“飞天”的神话和图画。汉代艺术家曾用铜铸造了两个羽人跪座像。其人形状奇特，长脸尖鼻，颧骨与眉骨隆起，双耳高过头顶，脑后锥形发髻，背部长两只巨大翅膀。在航空科学尚处愚昧的古代，美好的神话幻想往往会促使勇敢者去实践一番。公元19年，中国人首次进行了滑翔飞行尝试。
其时，西汉末年，王莽政权与匈奴交战。王莽意欲召天下有奇术之士，以为反攻匈奴之兵将。受名利的驱动，有人声言自己不食米谷而可作战数月；有人扬言自己不用舟楫可使三军渡江；也有人说，自己能飞，一日千里，可在天空窥探匈奴军情。应招募者不下万计，个个跃跃欲试，以图一官半职。王莽一一召验。据载，那些声称会飞天的人，身着羽毛，作成鸟，架翅膀以为翼，身上还装有环纽机关，从山顶滑翔而下。虽有的飞数百步而坠，但几乎都一个个摔得鼻青脸肿。王莽“知其不可用，苟欲获其名”，也就满足他们愿望，凡未摔死的“皆拜为理事，赐以车马”(《汉书·王莽传》)。这大概是航空史上最早的，也是最大规模的一次人类飞行试验。
与这些自愿充当“羽人”而挨摔的冒险者相比，北齐文宣帝高洋(公元529-559年)却是个以飞行实验杀人的暴君。一次，他下令让那些死囚，以纸翼、草翼为翅，从金凤台上飞下，如安全着地，则可获赦。名为“放生”，实则视其摔死为乐。其中唯有一人叫“元黄头”的死囚随风“飞”到城外安全降落。或许他曾受过滑翔训练，成为唯一的幸存者。尽管此人后来仍被文宣帝活活饿死(《资治通鉴》卷一六七)，但却是一次成功的飞行。
自然，这些飞人实验，几乎都以仿效鸟的飞行进行的。既无机械助飞，也无保护措施，当然是一种极为危险的尝试。
古代人也有“飞车”的设想。最早的想象可能是西晋郭璞在注《山海经》中以神话故事讲出来的。他说，有一个称为“奇肱国”的国民，善于机巧，能作飞车，从风远行。后来，这样的故事越编越多。到了明清时代，又有人画图示之。明初成书的《异域图志》中，绘有两人在空中合乘一车，车轮中轮齿的方向对着风向，恰似一立式风轮。(图2-21)清代成书的《山海经存》绘有另一种飞车图：车轮颇有螺旋桨意味。(图2-22)。显然，自葛洪创制竹蜻蜓以来，人们对于螺旋桨式叶轮在飞行中的作用无疑有着深刻的印象。
图2-21 《异域图志》绘“奇肱飞车”
这种科学幻想到后来成为章回小说的部分内容。清代李汝珍在其著《绘图镜花缘》(成书于1829年)中描写并绘画的飞车，是一件极为有趣的事。李汝珍就飞车的设想写道：
国舅家人已将三辆飞车搭放院中，都向西方，按次摆了。众人看时，那车只有半人高，长不满四尺，宽约二尺有余，系用柳木如窗棂式做成，极其轻巧。周围用鲛绡为幔，车内四面放着指南针。车后拖一小木，如船舵一般。车下尽是铜轮，大小不等，有大如面盆的，有小如酒杯的，横竖排列，约有数百之多，虽都如同纸薄，却极坚刚。当时议定，国舅、若花坐前车；红红、亭亭坐中车；兰兰与仆人坐后车。国舅把钥匙交给仆人，又取三把钥匙交给红红道：‘一是起匙，一是行匙，上面都有名目，用时不可错误。如要车向左，将舵朝右推去；向右，朝左推去。紧随我车，自无舛错。’车之正面，有一鲛绡小帆，如遇顺风，将小帆扯起，尤其迅速。
图2-22 《山海经存》绘飞车
李汝珍的想象多么丰富！他设想的飞车包括车制大小、轻重、各种转动齿轮或车轮、操作机构(舵)、起动与加速阀门(“起匙”与“行匙”)、导航仪(指南针)等等，几乎将古代机械成就与空气动力学知识都包括在内了。绘画中的车轮极为类似螺旅桨叶(图2-23)。他想象如纸薄而坚刚的合金，直到今天人们才勉强为之。唯一不足的是，他没有想象到飞车的动力设备。
在空气动力学知识如此高深的今天，在各类飞行器漫游太空之时，人们不会忘记古代中国人所作出的探索与成就，在尝试飞行的历史上，写下了值得赞颂的一笔。
图2-23 《绘图镜花缘》插图
科学想象到科学实践之间的确有一段相当长远的距离。要实现科学想象，尚需付出艰辛的劳动，甚至一代又一代孜孜不倦的探索。从《庄子》的想象到飞机最终在天空中安全飞行，人们付出了多少代价，就可想而知了。我们暂且撇开飞行动力学的理论问题不谈，而先谈谈古代中国人所作出的有助于飞行技术发展的某些努力、幻想、发明，看看他们的举动哪些是幼稚的，哪些是聪明的。
众所周知，战国时期的墨子曾和他的弟子花三年工夫制造一只会飞行的木鸢。东汉张衡也创制了飞行木鸟，“假以羽翮，腹中施机，能飞数里”(《太平御览》卷七五二引《文士传》)。可惜，这些记载过于简略，我们难于推测其中的奥秘。然而，中国人发明的风筝被世界航空史界公认为最早的飞行器。对于16世纪之前的欧洲人来说，它是闻所未闻的东西。第一次世界大战前，某些飞行先驱称自己的试验飞机是“动力风筝”、“巢形风筝”，可见它对动力学思想的发展曾起着重要作用。
风筝，初名为纸鸢、纸鹞、风鸢，形状似鸟。它在空中飞行受到三种力的作用：重力、空气动力和拉线张力。(图2-19)稍有气流，它就上升。放风筝者常拉紧线奔跑，借助相对气流运动使之飘浮升空。无风时，它因重力而下降。风筝飞行是沿一大圆弧运动，拉线之长即其运动轨道的半径。它与飞机相似之处是，都有羽翼，靠气流浮力上升。当然，飞机尚有机械动力的作用。
图2-19 风筝受力作用示意图
关于风筝的起源有多种说法。较为可靠的是起源于6世纪。梁武帝太清三年(公元549年)，侯景反于寿阳，围台城。简文帝在城内粮草断绝，外无援兵。困守之际，一名叫“羊车儿”的战士向简文帝“献计作纸鸦，系于长绳，藏敕于中。简文帝出太极殿前，因西北风而放，冀得书达援军。”(《通纪》卷七)这大概是风筝发明最早的确切记载。此后200年，即公元781年，唐朝节度使田悦反叛，攻临洺城。守将张伾在粮储渐乏之时，放风筝告求援军。他“以纸为风鸢，高百余丈，过悦营上。悦使善射者射之，不能及。”(《新唐书·田悦传》、《旧唐书·张伾传》)可见，风筝的发明是与军事通讯密切相关的。后成为宫中娱乐，至于为平民百姓、尤其是儿童的嬉玩之物，那更是后来的事了。南宋时，市上就有专卖风筝的经纪人了。诗人以此为题赋诗，画家也以此作画。
除了风筝之外，东晋的学者葛洪发明的“飞车”是直升旋翼和飞机螺旋桨的始祖。据《抱朴子·内篇》卷一五记载，它的主要部件是一个加工成斜面或弯曲面的薄竹片，如图2-20。薄竹片类似向下吹风的风扇叶。竹片中央榫接一根直立轴。将绳带以类似木工用的弓钻方式绞纽在立轴上。拉动绳带，竹片急速旋转。旋转着的竹片借其弯曲面造成的气流而上升。葛洪称这股强烈的气流为“罡风”。
葛洪的“飞车”，后来称为“竹蜻蜓”，成为儿童喜好的玩器。它传到欧洲后，被称为“中国陀螺”，并引起了早期航空实验家们的极大注意。他们纷纷仿造竹蜻蜓，并由此引发了直升机旋翼和螺旋桨的设计构想。
向下压弓
图2-20 竹蜻蜓
前述陀螺和平衡环也是飞行机械中不可缺少的部件。还有，雨伞、阳伞，特别是具有滑动杠杆的折叠式伞也是中国人发明的。传说中的舜帝在受其继母虐待时，曾手持两笠从高处跳下而免遭祸害。(《史记·五帝本纪》)南宋时，有人手持两伞从屋脊跳下竟安然无恙。可见，“降落伞”的概念在中国也有悠久的历史。18世纪的欧洲人，曾受到中国历史上的这些记载启发，而进行跳伞实验。由此可知，古代中国人对飞行动力和飞行技术曾作过多种多样先行性的探索。
在人类进化史的早期，可能某些人已产生飞行幻想。人们见鸟自由飞行，便希望自己也能遨游太空。在幻想支配下，中国古代也有许多关于“羽人”、“飞天”的神话和图画。汉代艺术家曾用铜铸造了两个羽人跪座像。其人形状奇特，长脸尖鼻，颧骨与眉骨隆起，双耳高过头顶，脑后锥形发髻，背部长两只巨大翅膀。在航空科学尚处愚昧的古代，美好的神话幻想往往会促使勇敢者去实践一番。公元19年，中国人首次进行了滑翔飞行尝试。
其时，西汉末年，王莽政权与匈奴交战。王莽意欲召天下有奇术之士，以为反攻匈奴之兵将。受名利的驱动，有人声言自己不食米谷而可作战数月；有人扬言自己不用舟楫可使三军渡江；也有人说，自己能飞，一日千里，可在天空窥探匈奴军情。应招募者不下万计，个个跃跃欲试，以图一官半职。王莽一一召验。据载，那些声称会飞天的人，身着羽毛，作成鸟，架翅膀以为翼，身上还装有环纽机关，从山顶滑翔而下。虽有的飞数百步而坠，但几乎都一个个摔得鼻青脸肿。王莽“知其不可用，苟欲获其名”，也就满足他们愿望，凡未摔死的“皆拜为理事，赐以车马”(《汉书·王莽传》)。这大概是航空史上最早的，也是最大规模的一次人类飞行试验。
与这些自愿充当“羽人”而挨摔的冒险者相比，北齐文宣帝高洋(公元529-559年)却是个以飞行实验杀人的暴君。一次，他下令让那些死囚，以纸翼、草翼为翅，从金凤台上飞下，如安全着地，则可获赦。名为“放生”，实则视其摔死为乐。其中唯有一人叫“元黄头”的死囚随风“飞”到城外安全降落。或许他曾受过滑翔训练，成为唯一的幸存者。尽管此人后来仍被文宣帝活活饿死(《资治通鉴》卷一六七)，但却是一次成功的飞行。
自然，这些飞人实验，几乎都以仿效鸟的飞行进行的。既无机械助飞，也无保护措施，当然是一种极为危险的尝试。
古代人也有“飞车”的设想。最早的想象可能是西晋郭璞在注《山海经》中以神话故事讲出来的。他说，有一个称为“奇肱国”的国民，善于机巧，能作飞车，从风远行。后来，这样的故事越编越多。到了明清时代，又有人画图示之。明初成书的《异域图志》中，绘有两人在空中合乘一车，车轮中轮齿的方向对着风向，恰似一立式风轮。(图2-21)清代成书的《山海经存》绘有另一种飞车图：车轮颇有螺旋桨意味。(图2-22)。显然，自葛洪创制竹蜻蜓以来，人们对于螺旋桨式叶轮在飞行中的作用无疑有着深刻的印象。
图2-21 《异域图志》绘“奇肱飞车”
这种科学幻想到后来成为章回小说的部分内容。清代李汝珍在其著《绘图镜花缘》(成书于1829年)中描写并绘画的飞车，是一件极为有趣的事。李汝珍就飞车的设想写道：
国舅家人已将三辆飞车搭放院中，都向西方，按次摆了。众人看时，那车只有半人高，长不满四尺，宽约二尺有余，系用柳木如窗棂式做成，极其轻巧。周围用鲛绡为幔，车内四面放着指南针。车后拖一小木，如船舵一般。车下尽是铜轮，大小不等，有大如面盆的，有小如酒杯的，横竖排列，约有数百之多，虽都如同纸薄，却极坚刚。当时议定，国舅、若花坐前车；红红、亭亭坐中车；兰兰与仆人坐后车。国舅把钥匙交给仆人，又取三把钥匙交给红红道：‘一是起匙，一是行匙，上面都有名目，用时不可错误。如要车向左，将舵朝右推去；向右，朝左推去。紧随我车，自无舛错。’车之正面，有一鲛绡小帆，如遇顺风，将小帆扯起，尤其迅速。
图2-22 《山海经存》绘飞车
李汝珍的想象多么丰富！他设想的飞车包括车制大小、轻重、各种转动齿轮或车轮、操作机构(舵)、起动与加速阀门(“起匙”与“行匙”)、导航仪(指南针)等等，几乎将古代机械成就与空气动力学知识都包括在内了。绘画中的车轮极为类似螺旅桨叶(图2-23)。他想象如纸薄而坚刚的合金，直到今天人们才勉强为之。唯一不足的是，他没有想象到飞车的动力设备。
在空气动力学知识如此高深的今天，在各类飞行器漫游太空之时，人们不会忘记古代中国人所作出的探索与成就，在尝试飞行的历史上，写下了值得赞颂的一笔。
图2-23 《绘图镜花缘》插图
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