给你一双翅膀,你也飞不起来?
曾获得1933年诺贝尔物理学奖的奥地利物理学家薛定谔(Erwin Schrödinger)在《生命是什么》一书中曾说过:
「生命以负熵为生。」
「熵」(entropy)是指系统内部的无序程度。
宇宙运行的趋势是「熵增」(increase of entropy)——无序程度的增加。
然而,人类生命存在的特点却是「负熵」(negentropy)——从无序到有序。
人类的存在,似乎注定要和宇宙进行一番抗争。
比如,人类本没有鸟类的翅膀,却始终渴望像鸟类一样能够自由飞行。
为了能飞上天,人类尝试了数千年。
问题是,给人类一双翅膀,人类能飞起来吗?
人类的飞行梦想,自古已有。看到有翅膀的鸟类、昆虫都能飞上天,人类不禁会想:如果我有一双翅膀,是不是也能飞起来呢?
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约公元前852年,传说中一位名叫布拉杜德(Bladud)的不列颠国王,试图通过给自己绑翅膀的方式,模仿鸟类的飞行。结果,试验失败,布拉杜德不幸坠地身亡。
公元19年,王莽为了与匈奴作战,大力网罗能人异士。当时,王莽听说有人能飞,一日可飞行千里。于是王莽让这个「飞人」展示自己的飞行技能。
「飞人」以大型鸟类的翅膀作为自己的翅膀,而后在头上和身上都粘上了羽毛。然而,飞行数百步之后,此人还是坠落下来了。
(「取大鸟翮为两翼,头与身皆著毛,通引环纽,飞数百步堕。」《汉书·王莽传》)
尽管古人一直认为拥有翅膀就能飞行。但现实是,拥有翅膀就能自由地飞行,也许目前只能在神话传说、梦境、电影、小说中实现。
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人类的飞行梦想,从何而来?
一种可能的猜测是:人类在大地上生存,行动能力有限,大地限制了人类的活动空间。而鸟类,可以突破大地的局限,在天空中自由地翱翔。
渴望像鸟一样飞翔,就是渴望自由。
人类飞行梦想的产生,与人类观察鸟类的飞行有关。但是,如果论及根本原因,人类的飞行梦想,是为了突破限制、追求自由。飞行不仅可以实现行动自由,而且还可以俯瞰大地,实现观看视角的自由。
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宋代诗人陆游在《大圣乐》中写道:「从今去,任东西南北,作个飞仙。」
徐志摩在散文《想飞》中写道:「人类最大的使命,是制造翅膀;最大的成功是飞!」
对自由的极度渴望,让人类对鸟类的飞行产生了好奇和企盼的心情。
这种带有好奇与企盼的心情又驱使着人类不断地追求飞行的梦想。
但问题的关键是:人类到底怎样才能飞上天呢?
01
给人类一双翅膀,人类真的没有飞起来!
鸟类扇动翅膀就能飞行,这种飞行方式被称为「扑翼飞行」(Flight by Flapping Wings),其特点是飞行所需的「推力」和「升力」,全部由扇动翅膀来提供。
那么,如果给人装上翅膀,是不是人类就能像鸟一样飞行呢?
要么,把鸟的翅膀装在人身上;要么,就自己动手做一双翅膀。
英国人布拉德和王莽时期的「飞人」案例,都是将鸟类的翅膀安装在人身上。但最终,都以失败告终。
然而,人类想要制造翅膀飞上天空的梦想,却从未因几个人的失败而被抛弃。
装上鸟的翅膀没有飞起来,那就靠人类自己来制造。
自己制作翅膀让人飞起来了固然好,可如若失败呢?那很可能一命呜呼。
所以,古人的思路是,先尝试让其他东西飞起来。
古籍记载,春秋战国时期,墨子和公输班都曾制作过飞行工具。虽然飞行时间不长,但仍具有重大意义。
「公输子削竹木以为鹊,成而飞之,三日不下,公输子自以为至巧。」(《墨子·鲁问》)
「墨子为木鸢,三年而成,蜚一日而败。」(《韩非子·外储说左上》)
根据《墨子》的记载,公输班制作的「木鹊」能够飞行三天。如果从时间上来看,公输班之技艺可谓惊人。毕竟,人类的飞行技术直到20世纪才有突破性的进展。20世纪之前,没有哪一种飞行器能够飞行三天。
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东晋时期的葛洪,也曾记载过一种名为「飞车」的飞行工具。
「或用枣心木为飞车,以牛革结环剑以引其机。」《抱朴子·内篇·杂应》
不过,由于记载不详细,目前还不能准确了解葛洪所说的「飞车」究竟是以什么原理飞行的,以及「飞车」能否真的能飞起来等问题。
明朝时,万户曾以绑着47支烟花的椅子作为飞行器,试图飞上天空。
然而,烟花点燃之后,万户和他的椅子便一起消失了。
万户的故事,在中国人留下的资料中并无记载。目前这一故事的主要来源是美国人提供的一些资料。
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尝试「上天」的不仅有中国人,外国人也在想方设法「上天」。
文艺复兴三杰之一的达芬奇(Leonardo da Vinci),就曾试图设计人造翅膀来模拟鸟类的飞行。
达芬奇对鸟类的飞行进行了大量的研究,包括鸟类翅膀的形状、飞行的姿态、飞行的动力等。该图为达芬奇《鸟类飞行手稿》的节选。
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达芬奇留下了大量的设计手稿,上图便是达芬奇构想的扑翼飞行器。从图中可以看出,达芬奇设计的飞行器的双翼,是以鸟类为原型的,不过是活动的,而非固定的。
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达芬奇模仿鸟类设计的飞行器,依旧没有让人类成功飞起来。
时间已过去两千年,给人类装上翅膀飞起来的梦想还是未能实现。
是翅膀不够大?还是人类太重?
亦或是这根本就是一件不可能的事情?
17世纪时,意大利生理学家、物理学家博雷利(Giovanni Alfonso Borelli)对鸟类的飞行进行了更为深入的研究。
博雷利经过研究得出结论:人类不可能通过模仿鸟类扇翅膀的方式飞起来,主要原因是人的体力不允许。
他提出假设——如果人想要如鸟类一样飞行,就必须有宽1.8米的胸腔,否则人类根本无法支撑起扇动翅膀所需要的肌肉力量。
博雷利一生致力于自然科学的研究,研究领域主要包括生理学和物理学。博雷利最大的贡献在于,对植物的气孔运动进行了研究,由此被称为生物力学之父。
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博雷利虽然给出了结论,却还是未能从「空气动力学」(Aerodynamics)的角度揭露人不能依靠翅膀飞行的原理。
直到1809年,英国科学家乔治·凯利(George Cayley)发表《论空中航行》(On Aerial Navigation)一文,人类才真正搞清楚,为何自己不能像鸟类一样依靠扇动翅膀飞行。
凯利是人类历史上第一位真正了解基本飞行原理的人。凯利不仅提出了现代飞机的概念,还制作了第一架飞机模型,而且还设计出了第一架可以带人飞上高空的滑翔机。
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凯利认为,鸟类翅膀的扇动,可以同时提供飞行所需的「推力」和「升力」。而人类模仿鸟类所安装的翅膀,则不能同时提供这两种力。
对于人类而言,只有将「推力」和「升力」的动力来源分开,才有可能飞行(现代的飞机,由发动机提供「推力」,机翼提供「升力」。飞机前进时,空气逆向流过机翼,机翼上方的气流压强小于机翼下方,因此产生压强差,产生向上的「升力」)。
这种「推力」和「升力」分开的方式,被称为「固定翼飞行」(Flight by Fixed-wing)。
凯利之后,人类调整了实现飞行梦想的思路——从「扑翼飞行」的研究,开始转向「固定翼飞行」的研究。
扑翼飞行和固定翼飞行的动力形式不同。左侧为扑翼飞行的动力形式,双翼同时提供飞行的推力和升力。右侧为固定翼飞行的动力形式,发动机提供推力,机翼提供升力。
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02
没有翅膀,怎么飞?
在掌握了飞行的基本原理之后,凯利开始进行固定翼飞行工具的设计。
1852年机械杂志(Mechanics' Magazine)刊登了凯利设计的滑翔机。该滑翔机的特点是,两翼为弧形,滑翔机的重心位于双翼之下。
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从飞行方式的角度来讲,鸟类的飞行方式有两种:一种是扑翼飞行;另一种是滑翔飞行(Glide flight)。
扑翼飞行的可能性被凯利否定后,能尝试的飞行思路便只有第二种。
凯利设计的滑翔机(Glider),正是借鉴了鸟类飞行的滑翔姿态。
凯利开启了制造滑翔机的先河,但并没有进行大量的试飞。试飞这一任务,后来由德国人奥托·李林塔尔(Otto Lilienthal)来完成。
李林塔尔是德国航空的先驱,一生专注于飞行试验。李林塔尔还对飞行原理进行了研究,并将其用于滑翔机的改进。1889年,李林塔尔出版过《作为航空学基础的鸟类飞行》。
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1891年开始,李林塔尔就开始了飞行试验。1891年到1896年之间,李林塔尔一共完成试飞2000余次。
1895年,李林塔尔在飞行试验。1896年最后一次试飞时,李林塔尔的滑翔机意外失去控制,致使李林塔尔从15米高空摔下后,不幸亡故。
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人类对飞行梦想的追求,总是伴随着伟大生命的凋零。
不过,李林塔尔生前已将自己的飞行经验发表在了《大气物理与物理学杂志》(Zeitschrift für Luftschifffahrt und Physik der Atmosphäre)和《普罗米修斯》(Prometheus)上,启发了后人继续探索飞行领域。
此后,人们迎来了人类飞行史上真正为人所熟知的两个人——莱特兄弟(Wright brothers:Wilbur Wright and Orville Wright)。
但鲜为人知的的是,莱特兄弟之所以能够开启人类飞行的新纪元,是因为他们吸收了凯利的理论和李林塔尔的2000多次的试飞经验。这点可以从莱特兄弟说过的话中得到印证:
「我们设计飞机的时候,完全是采用凯利爵士提出的原理和计算方法进行的。」
1903年12月17日,莱特兄弟发明的飞机试飞成功。Orville Wright担任驾驶员,Wilbur Wright则在地面跟跑。
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莱特兄弟之后,一位名叫冯如的中国人,也进行了多次飞行试验。
冯如,中国第一位飞行设计师。1907年,冯如在美国奥克兰自建工厂,开始制造飞机。1909年,「冯如1号」成功飞行800米。冯如说:「飞机造不成,誓不回国」。
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「冯如1号」试验成功后,冯如回国,创办了「广东飞行器公司」。
然而,就在冯如的飞行事业发展得如火如荼之时,他本人却在1912年的飞行表演中,因飞机坠毁离世,享年仅29岁。
在莱特兄弟、冯如的时代过去后,人类飞行事业的发展,步入了技术爆炸时期。
20世纪的100年中,人类在飞行领域取得的成就,远远超过以往几千年的努力。
20世纪人类飞行成就简史。
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毫无疑问,这些飞行成就的取得,要归功于固定翼飞行方式的普及。
人类虽然暂时搁置了扑翼飞行的方式,但终于却凭借固定翼飞行的方式「上了天」。
03
给人类一双翅膀,人类真的飞不起来吗?
然而,扑翼飞行的梦想,却始终在人类的内心深处藏匿着。
在固定翼飞行大获成功的时候,还是有部分科研人员和飞行爱好者将目光投向了扑翼飞行。
上文提到的李林塔尔,不仅利用滑翔机开展飞行试验,还制作了人力驱动的扑翼飞行器。
1894年8月16日,李林塔尔利用自己制作的扑翼飞行器进行试飞。但是,因人类体力的限制,李林塔尔的扑翼飞行并不成功。
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李林塔尔之后,人类又制造了五花八门的扑翼飞行工具。
1942年,德国人阿德尔伯特·施密德(Adalbert Schmid)利用自己设计的扑翼飞机,成功飞行900米,飞行高度约20米左右。
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2006年4月20日,法国人伊夫·卢梭( Ive Rousseau)进行第212次扑翼飞行试验,成功飞行64米。卢梭对扑翼飞行的试验,开始于1955年,一直持续到2006年。在这50余年的时间里,伊夫·卢梭不断地致力于人体肌肉扑翼飞行。但是,第213次飞行时,卢梭遇到了大风,飞行器的机翼折断,导致卢梭摔伤瘫痪,再也无法继续试验。
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2010年,加拿大一名航空与航天工程学专业的博士生托德·雷彻特(Rodd Reichert)发明的「雪鸟」人工扑翼飞机试飞成功,飞行距离为145米,飞行时间为19.3秒。「雪鸟」的双翼长达32米,重量仅42.6公斤。「雪鸟」虽然是由人力驱动的,却并不是通过手臂肌肉扇动翅膀的方式来驱动的,而是通过脚踩踏板的方式来提供动力。
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尽管从20世纪到21世纪,出现了各式各样的扑翼飞行工具,但这些飞行工具呈现出的结果距离人类古老的扑翼飞行梦想的实现,还有很远的距离。
鸟类的扑翼飞行,是自然界中最优的飞行方式,这是鸟类自然选择和进化的结果。
人类想要模仿这种飞行方式,无异于是在模仿自然的力量。人类既追求飞行的自由,也追求模仿自然的自由。
只不过,前一种自由似乎更难实现。
因此,现代科研人员将扑翼飞行的研究重点,放在了「微型扑翼飞行器」(Micro Ornithopter)(大小和昆虫、小鸟接近的扑翼飞行器)的研究当中。
1994年多伦多大学航空与航天专业的教授James D.DeLaurier设计的微型扑翼飞行器。该飞行器两翼的震动由橡皮筋的的扭曲运动提供。
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2020年武汉科技大学朱名康、朱建阳设计的扑翼飞行模型。经过试验,在电机驱动之下,该模型可以实现有效的扑动和扭转。
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严格来讲,扑翼飞行依然在试验当中,人类的飞行梦想至今仍是一个梦。
尽管人类已通过种种形式飞上了天空,但这并不是那个梦想最初的样子。
扇动翅膀就能飞翔,才是最理想、最自由的飞行方式。
这种「不可能的自由」,让一代又一代人不惜以生命为代价去追求。
在希腊神话当中,克里特岛(Crete)的国王米诺斯(Minoans)将伊卡洛斯(Icarus)和他的父亲囚禁在一所迷宫当中。
为了出逃,这位父亲用蜡将鸟的翅膀粘在伊卡洛斯身上,并告诫伊卡洛斯不能飞得太高,否则太阳会让蜡融化。
然而,伊卡洛斯飞出迷宫之后,沉浸在飞行的愉快当中。这种愉悦让他忽视了父亲的警告,忽视了飞得更高可能摔死的命运。
结果,伊卡洛斯越飞越高,最终导致蜡融化、翅膀掉落,自己也坠海身亡。
现如今,人类不仅飞上了天空,还飞向了茫茫的太空。
人类不仅实现了太空漫步,还亲自登上了月球,并且将探测器送上了火星。
我国在2020年7月23日发射火星探测车祝融号。2021年5月,祝融号成功着陆火星。图中,左侧为祝融号火星探测车,右侧为探测车着陆平台。
图片来源:中国国家航天局
这一切成就,都源自那个古老的飞行梦想。
尽管这个梦想曾经看起来是那样的遥不可及。
但是,哪怕付出惨痛的代价,哪怕和命运斗争、和宇宙做斗争,人类也要追求飞行的自由。
毕竟,「以负熵为生」是人类生命的特点。
这,正是渺小人类的伟大之处。