给你翅膀，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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　　公元前850年，一位名叫布拉德（Brad ）的英国人，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？
　　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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　　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达尔的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。
　　数据来源：Wikipedia
　　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 」。
　　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。
　　图片来源：Sina
　　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。
　　图片来源：AN ORNITHOPTER WING DESIGN
　　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。
　　图片来源：CNKI
　　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。
　　参考文献
　　金晓怡，颜景平.仿生扑翼飞行器翅翼驱动方式的研究现状及展望.制造业自动化.2007.
　　屈秋林，王晋军.鸟类飞行空气动力学对人类飞行的启示.物理.2016.
　　朱名康，朱建阳.两段式三自由度仿鸟扑翼飞行器机构设计与仿真分析.武汉科技大学学报.2021.
　　Leonardo da Vinci.Codice sul volo degli uccelli.1505-1506.
　　George Cayley.On Aerial Navigation.Journal of the Royal Aeronautical Society.1955.
　　James D.DeLaurier.AN ORNITHOPTER WING DESIGN.Canadian Aeronautics and Space Journal.1994.