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给我一双翅膀
央视国际 2004年10月14日 17:38
19世纪40年代，在美国一个小镇边的垃圾场，一个年轻人身上绑着翅膀，在朋友的帮助下试图飞向天空。在目睹了战争对鸟类的伤害之后，他拒绝与人类交流，幻化的生活在鸟类的世界之中。这个故事来自于电影《鸟人》。像鸟一样徜徉于天际，并非只是电影情节，人类自古以来就有这样的梦想，也正因为心中有这样一个不解的情节，人类才发明了飞机。
飞翔对鸟类而言是存在的本体，飞翔对人类来说是自由的象征。如今我们都知道，人类向鸟儿学习发明了飞机。从相传两千多年前的汉代，有人全身粘上羽毛试图展翅飞翔，到1903年赖特兄弟发明飞机，人类用去了将近2000年的时间。这个模仿的过程为什么花费了如此漫长的时间，我们到底向鸟类学习了什么？飞行的背后究竟隐藏了什么秘密？
飞行的背后究竟隐藏了什么秘密？
1865年，意大利文艺复兴巨匠达·芬在去往费所雷的路上，也在思索着这个问题。
“当鸟类要飞行时，便抬起翅膀承受下方飞来的风，风吹着它高飞，这是我前往费所雷时，对猛禽所做的观察。”
一个物体在飞的时候，它有一个平面，它的这个平面和风，有一个速度，这个夹角如果是正的话，那么空气就会从这里留下去，流下去的话，（平面）就会受到一个向上的压力。如果说这个平面是这个方向来的话，就有一个负的夹角，风从这个方向流下去，那么它就会受到一个向下的压力。就好像平时我们放风筝，我们放的时候就是这样牵着一根线，总是这个方向走，如果是这样的，或者是平的，他这个风筝是起不来的。
达·芬奇仔细观察鸟类翅膀的运动，并把观察到的鸟类攀升的路线记录下来。他惊奇的发现，鸟类通常以两种路线飞翔：一种永远是弧线，像螺钉上的线条；另一种是直线和曲线。达·芬奇运用自己掌握的数学知识加以分析，得出了一个激动人心的结论，那就是 鸟类是一种以数学法则运作的机器，人类有能力复制出这种机器，飞上蓝天！他被这种结论鼓舞着，着手制作了扑翼机。
“巨鸟将从西西瑞山起飞，并且快速攀升，到达了天际，让全宇宙充满惊奇。它在凡间的胜利获得的永恒的名声，为佛罗伦萨带来永远的光辉！”
达·芬奇的朋友也相信驾着扑翼机可以成功的飞行，他避开达·芬奇，偷偷地带着扑翼机来到野外，然而在短暂的惊喜过后，他在惊恐中摔下了山崖。
在达·芬奇之后，仍然有很多人尝试以扑翼的方式飞上天空，但是1873 年，扑翼方案被一个叫马雷的法国医生终结了。因为他无意间发现了鸟类在空中飞行的扑翼动作，这个发现，即便在今天，依然也只为少数人所了解。
街采
当时，人类仰望天空，观察鸟类的飞行，都和我们一样认为鸟类是简单的上下扑动翅膀的。然而这个叫马雷的医生用定时连续摄影，初步掌握了鸟类飞行的扑翼动作，他赫然发现，鸟类的飞行动作远比我们的想象要复杂的多。
其实只要观察一下鸟类或者昆虫，它们的朴动姿态是很复杂的，它有上下的扑动，而且有旋向的，沿着身体方向有悬向，而且有扭转的变形，变动，这样才能产生升力和推力。
借助更先进的仪器，我们今天可以更详尽的了解鸟类在扑翼时翅膀的变化。我们还掌握了足够的解剖学的知识，知道鸟类之所以有力量扑动翅膀，是因为它们有占全身肌肉总量四分之一的强大胸肌。而这种先天条件是人类所望尘莫及的。
医生马雷的发现，对人类来讲，无疑是一种无情的打击。放弃了扑翼方案的人们，还有什么办法可以飞上天空？所谓山重水复疑无路，柳暗花明又一村。这时，有人发现鸟类另外一种飞行方式。
我们经常看到飞行中的一些鸟儿，它们在空中自由的盘旋，却不用扑动翅膀，这种飞行方式被称为滑翔。通过模仿鸟类的滑翔，人类发明了滑翔机。如今，滑翔机被认为是最接近鸟类的飞行器。也正是这个原因，使很多人痴迷于这项运动。当人们乘着滑翔机置身于蓝天时，仿佛觉得自己就是一只自由的鸟了。
远山，蓝天，白云，这种美妙的感觉真是飘飘欲仙啊。
至今为止，人们驾驶滑翔机滑翔的最远距离可达2046米，然而在滑翔机刚刚问世的时候，却只能飞行几米，那还是1853年，第一个研制出滑翔机的是英国科学家凯利。他让他的马车夫在极不情愿的情况下，坐着这架滑翔机飘飞过一个小山谷。这是成年人最早乘滑翔机所作的自由飞行。
鸟类在起飞的时候，通常要靠克服空气的阻力来获得升力，拍动翅膀的动力，来自鸟类的自身。而在滑翔的时候，更多的升力来自于上升气流。每当太阳升起，空气就会因为温度的升高而上升，鸟儿能找到上升气流并借此高升，因此，并不需要扑动翅膀。
上面有积云，下面就有上升气流。没有上升气流。水汽就不会形成积云。一般的积云下面起码有三四米，甚至七八米。十来米的上升率，比飞机上升都快。我们滑翔机有的时候在气流里边上升，飞机盘旋是追不上的。
1804年，凯利发表了第一篇关于飞行原理的论文。这篇文章认为：飞行器应该是固定翼加上动力推进而构成。这指出了人类光靠翅膀就能飞上天的愿望是很难实现的。
凯利的贡献就是把飞行过程中，它的一个升力，一个阻力把它分开。
但是滑翔机就是只有固定翼而没有动力装置的飞行器。因此，为了能飞上天，在起飞的时候就需就要外力牵引，而一旦升空，就可以脱离动力牵引，在空中自由的滑翔了。
滑翔机都有着细而长的机翼。而我们也不难发现，能够滑翔的鸟类，也同样长着细而长的翅膀。这又是什么道理呢？
原来，鸟在空中飞翔，空气从翅膀流过的时候，会在翅膀尖产生一个涡流，会使翅膀尖的部位产生一个力，这个离就叫做诱导阻力，使压力变大。机翼越长， 诱导阻力占的比例越小，所以翅膀长的鸟儿才能滑翔，翅膀短的鸟儿因为诱导阻力占的比例越大只能扑翼。滑翔机的机翼很窄很长也是这个道理。
在滑翔机的发展过程中，做出最大贡献的当属德国科学家奥托·里林塔尔，因为他给滑翔机安了上了一对拱形的翅膀。正是这对拱形的翅膀使滑翔机飞的越来越远成为可能。
1891年，他制成一架蝙蝠状拱形滑翔机，在柏林近郊做了试飞。
李林塔而对于拱形的利用，灵感同样来自于鸟类。
仔细观察就会发现，鸟类的翅膀都是拱形的，而且前缘很厚，后面很薄。鸟类经过上亿年的进化，进化的作用使其所有的身体条件都更加适于飞翔。鸟类的翅膀缘何保持了样一种形态？
这个我们把它叫做流线型，流线型（的物体）在空中运动的时候呢，上面的（空气）流速比较快，下面的流速比较慢，那么下面的压力就比上面的压力大，下面的压力相对少一点，那么压力之间的差就会产生一个升力
鸟儿在空中飞行的时候，会对自身的羽毛进行细微的调节，这样就可以改变拱形翅膀的曲度，从而改变升力系数。
我们来看下这个图形就会明白其中的道理了，空气从这样一个流线型通过，因为上面的距离比下面的距离长，所以空气流过上面的速度就会比下面空气的流速快，这样上面的空气分子就比较稀薄，那么空气对于下面产生的压力就比上面大，就会产生一个向上的力，这个曲面越大，那么曲面上下面的空气压力差就越大。当然这是在一定范围内。
当我们乘坐飞机时，经常可以看到机翼的某些部位会有微微的变化。这个可以上下转动的就是飞机的襟翼和副翼，襟翼和副翼的角度改变在飞机降落的时候尤为明显。
当飞机降落的时候，它的速度比较慢，这个时候呢，我们是讲，飞机跟速度的平方成正比的，所以为了要产生足够大的升力那么飞机就要吧前面的襟翼和副翼放下来，这样机翼的翼型就比较弯，这样升力系数就比较大，才能产生足够大的升力。
李林塔而这个发现不仅改善了滑翔机的性能，而且对以后的飞机设计影响深远。现在所有的机翼都被设计成流线型。如今，飞行员在上天之前，都要检查襟翼和副翼是否能够正常操纵。因为可以通过操纵襟翼和副翼来改变机翼拱面的弯曲程度，从而改变升力的大小。同样可以通过操纵改变曲度的还有尾翼。
这是飞机的水平尾翼，水平尾翼提供给飞机一个纵向的平衡力。它由两部分组成，前面这部分是安力面，这部分是升降舵。升降舵两边是对称的，他们同时往上偏移或者往下偏，当它往上偏的时候，它产生一个向下的力，使飞机抬头。当它往下偏的时候，产生一个向下的力，使飞机低头。
就是通过控制这些机翼，技术娴熟的飞行员可以像鸟一样在空中可以进行精彩的表演。而在早期的战争中，飞行员也需要以此躲避对方的进攻。
说起战争，战争带给了人类巨大的创伤，但是，也带来了科学技术的进步。在赖特兄弟发明飞机后，在短短100年的时间，就能有如此迅速的发展，主要是得益于战争。飞机发明以后，军方首先意识到了它的巨大威力。1908年夏天，莱特兄弟改良后的双翼飞机试验成功，立刻受到美国陆军的高度重视。美国陆军出2万5千美元购买了他们的一架飞机。接着，许多国家的政府也都争先恐后地拨款资助空气动力学的研究和飞机的制造。
20世纪的两次世界大战期间，飞机被迅速投入战争中，而且，很快发展成为三军的重要武器。为了更快更好的执行任务，同时也为了躲避对方炮火的攻击，提高飞机的飞行速度成为军方的最大追求目标。然而就在飞机速度提高的同时，问题出现了。
在战争中，许多主战机型，经常会自己坠毁。现象表现为，先是机身剧烈抖动，然后就是机翼折断，机毁人亡。在其后的研究中，人们发现这是空气作用的结果，在空气动力学中被称为“颤振”。首先对这个现象进行研究的是英国空气动力学家贝尔斯托。
当机翼飞入空中的时候，他会受到空气的作用，往上变形，同时受到扭力，发生扭转变形。当扭转变形，弯曲变形如果同步的话，弯曲变形和扭转变形会越来越大，如果这个变形频率相同，它在几秒钟内就会折断。
但在自然界中，许多昆虫的扑翼频率也很高，例如蜻蜓每秒钟翅膀要扑动60下，但是为什么蜻蜓不会发生颤振现象呢？研究发现，蜻蜓自己完美的解决了这个问题。在蜻蜓翅膀末端前缘有发暗的色素斑——翅痣。如果把它们切除，蜻蜓飞起来就会荡来荡去。原来翅痣就是蜻蜓对抗颤振的装置。人们在解决飞机的颤振问题时并没有研究蜻蜓的翅痣，但令人惊叹的是，人们解决飞机颤振问题的方法和蜻蜓惊人的相似。就是在机翼前缘的翼尖，加一个配重，这样就可以避免机翼折断了。
如今，科学家在进行飞机设计的时候，都要在风洞内检测，在不同的空气作用下，机翼的抗颤振性能，从而确定飞机的设计方案。
昆虫和鸟类都是天生的飞行专家，但是鸟类和昆虫的飞行方式却并不相同。
有一种鸟是以昆虫的方式飞行的，那就是蜂鸟。
蜂鸟的体积很小，在正常情况下，它每秒钟大约振翅25下，靠近它，我们会听到嗡嗡的声音，不用慢镜头，我们根本看不清它的振翅动作。他们的翅膀呈8字形摆动，这和昆虫一样。不管哪一面向上，功能都一样卓越。拍动翅膀使空气下沉，像旋转的桨叶，只要改变翅膀的角度，就可以自由的向上向下，甚至向后飞行。而直升机也同样具有这种优良的性能。
1939年，美籍乌克兰人西科尔斯基制造出了第一架实用型的直升机，向军方做了表演。在1965年美国介入越战后，直升机得到了广泛应用。在越战中，贝尔制造厂的新型直升机“休易”担负起了重任。军队被直升机运送到任何他们想去的地方，因为直升机可以和蜂鸟一样，自由的前进，后退，向左，向右飞行；直升机可以垂直起飞，低空悬停。相比其他战斗机而言，有着更大的降落空间。更何况直升机可装载的火力总量比二次大战的典型战斗机还多，对美军而言，直升机重于一切。
如今，直升机被应用到更广泛的领域，人们对直升机的研究也越来越细微，在桨叶尖部的设计中，同样向鸟类学习了很多东西。
过去的桨叶的翼尖就是这种形状，矩形的，我们把它叫做平值的浆尖，后来为了改动它的气动效能，那么现在很多国家包括我们国内也做了很多浆尖的研究，那么像这种浆尖，我们叫做后掠浆尖，相对于前面的平直浆尖有个一个角度。
科学家门做了各种各样的后掠浆尖，这些浆尖的角度都和鸟类翅膀的翼尖有相似之处。回顾飞机的设计，我们会发有很多原理都能在鸟类那里找到原型。
鸟儿和飞机在起飞的时候，都需要一个助跑的过程来蓄积起飞的动力。
在空中飞行的时候，鸟类为了减少空气的阻力而收起它们的脚，飞机也是一样，在进入飞行高度后，会收起起落架来减小阻力。
在降落的时候，鸟类会利用自己的脚来减缓下降的动势，飞机也会放下起落架来使自身更加平稳。
它们的骨架都是中空的，为的是尽量减轻自身的重量。
经过种种努力，人类飞得越来越高远了，但是，人类还是无法扑翼飞行。
但是扑翼，就是像鸟一样飞行，无论在航空研究领域，还是对普通老百姓，都是一个诱人的幻想。所以我们开始做扑翼机。
在南京航空航天大学的微型飞行器研究中心，昂海松教授和它的学生在作微型扑翼机的研究。这个体长24厘米，体重30多克的小家伙就是比一只普通的鸽子大不了多少，和以往的飞行器相比，最大不同就是，它是拍动翅膀飞行的。在明媚的眼光下，我们看到了它飞行的身姿。它机翼的扇动动作和频率都是向小鸟和昆虫学习来的。
我们研究首先要研究鸟类的飞行线路，同时还要研究昆虫的飞行特点。从翼的结构来说呢，昆虫要比鸟类简单，因为鸟类，大家知道，都是羽毛，羽毛是非常复杂的，
鸟类大概都有上万支羽毛，这些羽毛的排列顺序，它飞行时的打开方式都是非常复杂的。而且在不同的部位，羽毛的大小，重量，形状都不一样。这么复杂的生理结构，对科学家们来说，仿制是非常困难的。相对来说仿制昆虫就比较简单。
那就是昆虫，一般地说，扑动的频率比较高，高达100赫兹甚至更高，100赫兹什么概念呢？就是1秒钟上下扑动100次，那么这个频率很高，那我们研制这种设备的话就要抗震，抗疲劳。对机件设计要求比较高，而鸟相对扑动频率比较低，因此我们既仿鸟，也仿昆虫。
这是以往进行飞行试验时拍下的资料，尽管它和真正的鸟类飞行动作还有很大的区别，但是已经有鸟儿把它当作同类而共舞了。
让我们看看在这个小家伙身上安装的摄像头所拍下来的景象，也许在不远的将来，它可以去我们不能到达的地方，探寻那里的秘密。
从达·芬奇研究扑翼机开始，至今已将近150年了，人类经历了无数次的失败，今天终于研究出了扑翼机。虽然这只是一个微型的飞行器，但是我们有理由相信，终究会有一天，人类可以带着一对翅膀，像鸟儿一样自由的扑翼飞翔。
达·芬奇曾经写过这样一段话：“为什么飞翔？因为你飞过了，你将仰望天空，那到过的地方，那回归永恒的地方。”这也许是他想飞上天空的理由吧。虽然每个人想飞的初衷并不相同，他们尝试飞行的结果也不相同，但是相同的是，他们都有一颗想飞的心，这才是最重要的。
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