读展 | 陈海昕:达·芬奇是首个以科学方式来研究飞行的人

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读展 | 陈海昕:达·芬奇是首个以科学方式来研究飞行的人

读展 | 陈海昕:达·芬奇是首个以科学方式来研究飞行的人

直上云霄展览现场 摄影:浦峰(新京报记者)

 

10月21日,在“直上云霄——列奥纳多·达·芬奇的飞行与工程机械展”开幕仪式后,清华大学航天航空学院教授陈海昕、策展人王哲然博士分别就《达·芬奇对飞行的贡献》和《达·芬奇机械发明的复原研究》进行主题发言。我们特别将两位老师的发言记录整理成文,分两期微信内容分享给大家。

 

主讲人

读展 | 陈海昕:达·芬奇是首个以科学方式来研究飞行的人

陈海昕

清华大学航天航空学院新教研系列长聘教授,博士生导师,清华大学科研院副院长。

航空飞行器设计及空气动力学专家,建设并领导AEROLab实验室和AEROStudio工作室,参与大型客机等多型飞机、飞行器型号研制。开设航空概论、飞行器制作实践、航空宇航科学技术前沿等课程,清华航院“学生航空创新实践基地”创建人,长期担任联合培养飞行学员项目主任。

 

达·芬奇对飞行的贡献

根据陈海昕主题发言整理成文

 

我从2003年开始在清华大学讲授《航空概论》和《航空航天导论》课,十几年来几乎每次第一堂课的第一张ppt都在讲达·芬奇。我们都知道达·芬奇是一位伟大的艺术家,我小时候最早知道达·芬奇是听说他画鸡蛋的轶事,但实际上达·芬奇在飞行领域也有着非常大的贡献。可以说,他在各方面的成就代表了一个时代、一种精神。

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达·芬奇《鸟类飞行手稿》

 

我们了解达·芬奇对飞行的认识很多来自于他的手稿,即《鸟类飞行手稿》。《鸟类飞行手稿》是达·芬奇于1505年左右完成的一份短手稿。手稿共有18张对开纸,大小为21×15厘米,现藏于图灵皇家图书馆。由于达·芬奇的独特性格,该手稿从右向左书写,并使用了镜像字母。达·芬奇概述了很多观测结果和概念,提出了观察-猜想的科学研究方法,展示了达·芬奇对艺术和科学领域中各种知识、理论和概念的出色驾驭。我们会发现,尽管写自人类真正实现飞行很久之前,但其中很多的东西跟我们现在对飞行的研究认识都非常一致。

 

我们认为,达·芬奇是首个以科学方式来研究飞行的人,包括莱特兄弟在内的很多之后的飞行先驱对飞机的研究都得益于他的启发。达·芬奇的理解和设计超越了他当时的时代。不论是现在飞机的样貌还是飞行的原理,或者飞行设计和研究的思路与方法,都没有脱离达·芬奇建立的范式。

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达·芬奇手稿

 

首先,达·芬奇是一位科学家。达·芬奇在研究鸟类飞行时,会经常坐在悬崖上去观察,因为这样离鸟更近些,可以看得更清楚。他根据观察发现了很多现象,如当风很大时,鸟类总飞在高空;当风较小时,鸟类会离地面更近;鸟类拍打翅膀飞到足够高,然后逐渐滑翔下降,如此,鸟类可以获得休息。如果一只鸟想要向左或向右转弯,那么它就会降低对应一侧的翅膀。如果鸟类飞行在“风”之上,但想要飞入“风”中,需要放下尾巴来保证不会上下翻滚,从而保持飞行的稳定性。

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达·芬奇手稿

 

达·芬奇根据观察到的现象做了大胆的假设和逻辑的推断。他认为鸟类通过拍打翅膀来压缩翅膀和身体之间的空气,以此飞上天空。鸟翼整个长度并不都用来压缩机翼前面的空气。鸟类的重心和空气的压力中心并不重合。鸟类用尾巴来控制俯仰。鸟类的转弯要靠滚转。

 

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“直上云霄”飞行机械展厅

 

达·芬奇还把这些假设通过逻辑分析,提炼成了抽象的知识,手稿中论述了鸟类飞行原理,提出了重力、重心等理论,并提出了飞行器的制造工序。如升力产生的原理是鸟类扑动压缩空气,压差制造升力。飞行平衡与控制受压力中心和重心关系影响。鸟类用尾巴的上下扑动控制俯仰,通过滚转来实现飞行转向,从而得出飞机飞行需要解决的技术难题。这些推断限于当时的认识基础,并不都正确,但并不妨碍我们认为达·芬奇开展的是科学的研究。

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“直上云霄”飞行机械展厅之风力飞行球模型

 

其次,达·芬奇是一位工程师。他产生了知识之后并没有止步于此,而是要把这些知识付诸实践。他首先利用他的解剖学知识剖析了鸟翅膀的骨骼和它的细微结构,并对这些结构进行复制和仿制(即仿生)。达·芬奇根据他研究的机械原理,如滑轮、齿轮、连杆等机构,开展了对鸟类翅膀驱动的研究,提出了用机械模仿鸟类的扑翼运动。他画出了很多方案,从比较简单的设计,到包含更细致入微的机构,他也画出了更像飞机的设计。达·芬奇除了画出设计图外,还做了很多细致的设计分析,如他认为飞行器必须要有足够的高度,给控制飞机一个缓冲的时间,不至于一旦出问题就立马失控。他甚至针对飞机不同部件所处的受力特点给出了材料的建议。

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“直上云霄”飞行机械展厅之巨鸟模型

 

达·芬奇除了设计飞机,还设计了很多其他飞行器,如降落伞,可以减缓降落的速度;又如直升机,把空气螺旋桨竖起来,把空气向下排,就变成了一架直升机。坦率来讲,这些滑翔机、降落伞、直升机等在当时都并没有做出来,但是他的想法为后人提供了源源不断的灵感,也从原理上为飞行的成功提供了鲜明的预示。

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更加幸运的是达·芬奇还是一位艺术家。他除了用他的艺术才能把他的设计仔细地画出来之外,他还用他的艺术家的情怀、艺术家的远见、艺术家的想象为我们勾勒了人类飞行的美好图景。他曾说:“你只要尝试过飞,日后走路时也会仰望天空,因为那是你曾经到过,并渴望回去的地方。”显然达·芬奇本人并没有飞过,但是他能够想象,能够憧憬到飞行的乐趣,体会到飞行的豪迈。这些想象和憧憬,也激励了整个人类向着飞行梦想的实现而努力。

 

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扑翼苍穹,文艺巨擘手稿描绘科学奇想;
穷理开物,科博后生匠心重现先驱绝学。

点击图片,详细了解展览“直上云霄”

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