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鸟的飞行原理—人类飞天梦
2017-04-05   来源:新浪科技

  飞行升空是人类最古老、最美好的愿望之一,古代人对鸟类的飞行是既向往又困惑的。所以,在古代很多文明古国,几乎都有把鸟类看作是神秘物的倾向。许多民族的神都被想像成有飞行能力。身为一种会思考有追求的陆生两足动物,无论在现实中,还是在想像中,几千年来人类一直在执著不懈地试图离开地球表面。尝试的结果却不尽人意——“墨子为木鸢,三年而成,蜚(古同‘飞’)一日而败”(《韩非子》);希腊神话中的伊卡洛斯飞得太高导致羽翼熔化,溺死在爱琴海中……
  
  墨子所制的木鸢,会是这个样子吗?
  在文学作品中,对飞行的向往更是层出不穷。诗意的有《庄子·逍遥游》中描绘的“列子御风”和《离骚》里的“驷玉虬以乘兮,溘埃风余上征”,讲的是要以玉龙为马、凤为车,扶摇上九霄。也有写实的,如《山海经》中出现的“以取百禽,能作飞车,从风远行”。无独有偶,古代斯堪的纳维亚传说中,维兰铁匠使用的飞行马甲,以及阿拉伯传说中的飞毯,都将当地常见生活物品赋予了飞翔的特性。看来,飞翔不是某个民族的梦想,而是属于全人类的共同愿景。
  如果说以上均系野史,做不得数的话。那么考究正史,飞行的尝试也是史不绝书的。以飞行器的种类划分,古人飞天的尝试可分为五类:降落伞、滑翔机(风筝)、气球、火箭、扑翼机。其难度系数逐级上升,直至成为不可能完成的任务。
  用降落伞体验飞行乐趣者,胜算最大。最著名也是最早的高台跳伞运动员恐怕非五帝时代的舜帝莫属。舜年轻时曾手持两个斗笠从高处跃下,安然无恙。此事见于《竹书纪年》和《史记·五帝本纪》。唐人《史记索隐》写得绘声绘色:“有似鸟张翅而下,得不损伤。”由此看来,这竟是降落伞加滑翔机的有机组合了。可惜究其动机,舜爷玩此行为艺术纯属生死关头被逼无奈,算不得自主飞天的成功案例。
  中国见诸文字的飞行最有名的当属有班固在《前汉书·王莽传》里的记载。王莽曾下令征集天下身怀绝技之士抗击匈奴,应征者中有号称可以飞行窥探匈奴军力虚实的人,王莽令其试验。此人用鸟羽做成两只翅膀捆在身上,并在头和身上饰以羽毛,又装上“环纽”等机关,从高处往下飞行数百步远才落地。
  
  楼兰古城遗址出土的“有翼天使”壁画
  若有气流托举,从高处扑翼而下,滑翔一阵再平安落地并不太难。难的是以人力扑翼,达到如鸟儿一般“平地飞升”的效果。见于历史记载的,西欧、东欧、中国等地都有进行扑翼飞行尝试的人,除了造成死伤,尚无人能从低处飞到高处。
  既然振翅飞升太过艰难,有人便打起了乘风筝翱翔的主意。只是此人贵体千金、贪生畏死,命令别人做危险的飞行试验。据《资治通鉴》记载,公元559年,齐文宣帝“使元黄头与诸死囚自金凤台各乘纸鸱以飞,黄头独能至紫陌乃坠”。想不到乘风筝首飞成功之人竟是一个死囚。后来,风筝在航空研究中发挥了很大作用,1804年,英国的凯利曾用风筝做机翼制成一架滑翔机;俄国的莫扎伊斯基和飞机发明者莱特兄弟都曾用放风筝的方法研究飞机的原理。
  风筝在航空研究中发挥了很大作用
  为了模仿鸟类飞行,人类付出了极大的努力与牺牲,越是遥不可及,便越心生向往。人类飞行的形象不断出现在绘画、雕塑等艺术作品中。比如1964年在西安发掘出的汉代铜羽人跪坐像,羽人形状奇特,长脸尖鼻,颧骨与眉骨隆起,耳高出头顶,宽肩束腰,背部长着两只翅膀。东汉时期的沂南古画像石中也有腾空的羽人图形。在莫高窟297号窟中有隋代塑造的羽人像阁;唐代的一面飞凤花鸟镜中也有羽人形象,唐代还有飞人砖画……在西方,羽翼更是被赋予神圣的意义。古埃及的信仰中,昊天之神荷鲁斯身披双翼,直到现在,埃及航空公司的徽标还是一只鸟;基督教文化中,天使也被描绘为背生羽翼的人形,而堕落的魔鬼只配拥有蝙蝠的肉翅,象征着从光明走入黑暗。以上这些简直可以看作是对人类进行基因改造,使之适应飞行的艺术化尝试。进入近代,鸟类和羽翼的图像更为流行,它们大量出现在人人都有机会接触的钱币上,不少国家还把鸟(特别是鹰)作为荣誉勋章乃至国徽的图案。
  要不是有人理性地认识到“飞还是不飞”其实是个生死攸关的问题,这座飞天丰碑恐怕还要留下更多无名烈士。聪明如达·芬奇者,二十年如一日地纸上谈兵,观察飞鸟、蝙蝠和昆虫的同时留下大量的扑翼机和直升机图样供后人琢磨。他曾应用解剖学和数理方面的知识,观察和分析鸟类翅膀的运动,著有《论鸟的飞行》一文。他还最先提出用两个旋翼绕垂直轴转动以支持飞行器的构想(现代直升机的雏形),并预见到降落伞的应用。达·芬奇从不以身犯险,尝试飞行。亏得如此,否则飞天史上徒增一个烈士,文艺复兴却要少一个大师了。可惜他的这些研究成果直到19世纪后期才被发现,对航空技术的发展没有起到应有的推动作用。
  1680年,意大利人波莱里出版了《动物的运动》一书。此书不仅讨论了鸟的飞行原理,还研究了人类飞行的可能性。波莱里的结论是:“人依靠自己的力量进行扑翼飞行是不可能的。”与波莱里同时代的英国人罗伯特·胡克也着迷于飞行,但他到底在皇家学会混过,认识到“人要想飞起来,胸部得有两米宽,还要长出丰满且强有力的肌肉和翅膀。”
  按胡克的说法,除非用生物工程改造人体,否则以人力驱动的扑翼机注定飞不起来。事实也的确如此。近代科学出现以前,人们不知物理原理,以为扑扇着粘满鸟羽的大翅膀就能克服重力。殊不知鸟类历经亿万年的演化,骨骼之轻盈、胸肌之发达,远非人类可比。现代研究表明,健壮男子在10分钟内只能连续输出0.26千瓦的功率。按每千克体重所能输出的功率计算,人类远不如鸟类。人的体质仅适于陆地生活,实在不适合做振翅飞天这种体力活。
  既然模仿鸟类被证明是死路一条,便有人另辟蹊径,借助外力曲线飞天。1783年,法国的蒙哥尔费两兄弟用欧式“孔明灯”飞上巴黎的天空,一时成为街谈巷议的热点新闻。当然,这已完全不依靠人力了。近代也有学者认为,纳斯卡文化时期的印加人可能借助了热气球升空观察,才能绘制出那么精准的纳斯卡平原人工图案。如果这个猜测成立,人类飞行的起源时间又要大大提前了。
  中国是热气球和黑火药的故乡,但是中国人舍气球不用,一上来就玩高难度的火箭载人,实在具有创新思维。据美国火箭专家赫伯特·基姆考证,明朝人万户进行了人类第一次载人航天飞行的尝试,可惜功败垂成。虽然史学界对万户飞天是否确有其事还存有争议,但就明代的技术发展水平来看,飞行爱好者尝试简陋的火箭助推装置也是完全可能的。迟至1984年,在洛杉矶奥运会开幕式上,依托先进控制技术的单人喷气装置方才飞行成功。万户若在天有灵,知后继有人,当倍感欣慰。
  中国对航空技术的贡献还有竹蜻蜓。它传入欧洲后被称为“中国陀螺”,并受到飞行先驱的注意。1784年,法国的拉奥努瓦和比安旺尼制作了以弯弓钻驱动的螺旋桨,桨叶用丝绸蒙在骨架上。1792年,乔治·凯利首次进行了他的“飞升器”试验,他也用弯弓钻驱动两个反向旋转的羽毛螺旋桨,使陀螺升入空中。
  蒙哥尔费兄弟的热气球升空120年后,美国俄亥俄州有两个擅长修自行车的兄弟整天琢磨着乘汽油机驱动的木质风筝驭风而行——前人不断的失败反而激起了他俩的好奇与勇气。比起凯利、李林塔尔、兰利等先驱者,莱特兄弟命更硬并且运气更好。1903年12月17日,他们的“飞行者1号”飞机创造了最长留空时间59秒,最远飞行距离260米的纪录,开创了可控动力飞行的新纪元。
  以上这些简陋的飞行实践尚无法与鸟类的高超飞行技艺相提并论。论速度,飞最快的尖尾雨燕时速可达352.5千米;论高度,大天鹅可飞跃珠穆朗玛峰;论航程,北极燕鸥每次迁徙的往返距离达到4万千米……这些仿佛都是无法逾越的记录,但很快,人类就开始向自然界的飞行记录发起挑战了。他们最先挑战的,是飞越北美洲与欧洲之间的天堑——大西洋。1927年5月21日,美国飞行员林德伯格驾驶单引擎飞机“圣路易斯精神号”从纽约出发,独自飞行40多小时后安全降落在巴黎。新旧世界的人们都在欢呼这一壮举。不久,跨大西洋的客货运空中航线建立起来。林德伯格的勇敢飞行开启了跨洋商业飞行的“新航路”,他的贡献堪与马可波罗或哥伦布比肩。
  到1986年,美国人鲁坦和耶格尔(女)竟然用九昼夜时间驾驶“旅行者号”轻型飞机完成了中途不着陆、不加油的环球飞行,航程超过4万千米,这是任何飞行动物都无法逾越的纪录,也象征着人类智慧与勇气可以达到的高度。
  赵洋,科技史博士,科普作家,任职于中国科技馆。
  (责编 李瑄  □ 撰文·供图 / 赵洋) 来自新浪科技/ 生命科学2009年第4期。

 

 

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