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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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

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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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特稿 | 同心筑梦 共建科博 ——清华大学科学博物馆筹建六年来公益捐赠记事

  满怀清华心,共筑两岸情 正值清华大学113周年校庆和清华大学科学博物馆六周年馆庆之际,台湾长兴集团创始人、清华大学名誉校董高英士先生,向清华大学科学博物馆慷慨捐赠,支持科学博物馆“镇馆之宝”——水运仪象台等比例全功能复原研发项目。高英士先生的善举将为科学博物馆的筹备与馆藏建设工作起到积极推动作用。   高英士先生,生于1924年,祖籍台湾省台南市,上海震旦大学法律系毕业。作为一名实干兴邦的企业家,高英士先生辛勤深耕化工产业数十载,致力于全球化学原料进口及制成品输出业务,始终把“技术开发与提升”作为企业发展的核心驱动力,取得举世瞩目的成就。 高英士先生也是一位情谊深厚的慈善家。自上世纪90年代始,高英士先生与清华大学达成紧密的战略合作关系,在学校的教育发展、人才培养、基地和平台建设、产学研合作等方面给与了鼎力支持。从英士楼到艺博英士珍藏展,从“清华之友-长兴奖学金”“清华之友-高英士奖学金”再到“清华之友-承宪康纪念奖学金”,高英士先生对清华的关怀与支持浸润在清华校园的方方面面。就是这样一位期颐老人,心系国家,身体力行地回馈社会,为教育和文化公益事业助力赋能。 伟大之大学,必有伟大之博物馆。高英士先生曾这样评价博物馆的重要意义:“博物馆具有提升人类精神层次及正向思考的价值,因此博物馆的设立对大学教育具有相当程度的影响。”清华大学科学博物馆作为中国第一家综合类收藏型科学博物馆,以展现古今中外科学技术的历史成就,激励科技创新、促进科学传播为使命,推动科学与人文的交叉融合。这与高英士先生所秉持的理念不谋而合。在欣闻科学博物馆的筹建工作后,高英士先生很高兴地答应捐助科学博物馆水运仪象台复原研发项目。   水运仪象台等比例全功能复原项目是清华大学科学博物馆的重点建设项目,复原品将放置在科学博物馆未来场馆的核心区域,成为“镇馆之宝”。水运仪象台是中国古代体量最大、耗资最多、机械技术含量最高的单体科技制品的巅峰之作,综合体现出古代中国在天文仪器、机械制造和冶金技术等领域的最高成就,具有科学史、技术史、制度史、建筑史的研究价值。 同时,水运仪象台与清华大学具有深厚的渊缘。20世纪五十年代,清华大学时任第一副校长、中国机械学科和机械史学科的开创者刘仙洲教授(1890-1975)以《新仪象法要》为蓝本对水运仪象台的复原及其若干技术性细节提出了构想。2010年左右,清华大学机械学院唐晓强教授对水运仪象台关键机械(水轮擒纵机构)进行了突破性重建,成功研制出1:3尺寸的样品,并取得了国家专利。 在此基础上,科学博物馆将锐意进取,勇攀高峰,旨在实现水运仪象台枢轮机构、报时系统、浑仪和浑象全功能、全天候无故障连续运行的创新与突破。通过这台仪器,观众能够充分理解中国古人利用浑仪、浑象、漏刻等仪器进行天文观测、演示的方式,理解古代的计时方式,了解水车等生产实践工具的原理、应用等。观众亦可通过室外金字塔型的玻璃窗窥见水运仪象台雄伟的体量和令人震憾的运演过程。   为了完成此项重任,科学博物馆还特别邀请到原台湾南台科技大学机械工程系特聘教授兼古机械研究中心主任林聪益教授主持水运仪象台复原研发项目。除了台湾高英士先生的捐助,水运仪象台复原研发项目此前还曾获得过唐仲英基金会、清华大学1999级本科校友的捐助。该项目预计在3年内完成整体复原工作。   星光汇聚  共谱华章 科学博物馆筹备队伍,薪火赓续,奋楫笃行。六年来,每一位科博人秉炽热之心聚焦收藏、研究、展陈、公教、传播事业,全方面镌刻科博的璀璨科学蓝图。 伟大之博物馆,必有伟大之馆藏。科学历史藏品为世界科学的发展历程提供了强有力的物证。在学校各部门的鼎力支持和帮助下,科学博物馆馆藏建设成效显著,建设了450平米展厅、537平米库房,通过“收、买、造”多种途径充实、积累了6500余件古今中外的科学藏品,向成为世界一流大学博物馆的愿景持续迈进。这些成绩的取得离不开以清华校友、社会爱心人士以及公益组织构成的团结紧密且涉足多领域、多学科、多行业并日益壮大的科博捐赠网络。   六年间,众多像高英士先生一样满怀科学热忱的清华校友以及社会各界爱心人士相聚科学博物馆,倾囊相授。 从邓锋、利青校友代表的深圳市汇爱公益基金会,到清华大学2007级本科校友设立的“恰逢柒时”科学博物馆发展支持项目、 1999级本科校友设立的“久久同心”科学博物馆发展支持项目、1989级本科校友设立的“八纮格致,九转功成” 科学博物馆发展支持项目; 从唐仲英基金会对“达·芬奇机械发明的复原研究项目”“北宋水运仪象台复原项目”的大力支持,到清华大学教育基金会设立“博物致理,共建科博——清华大学科学博物馆馆藏建设”筹款项目; 从王晓滨校友捐赠推动“科学革命中的仪器”复原收藏,到清华校友王裔澄、袁桅、郑培敏、罗茁、陈克棉、孙玉文、张晓娜、阙里、李如心,我国已故哲学家、美学家叶秀山,投资人周航、李艳洁、Austral,资产管理人田江川、杨海燕、段苏函、吴兆光,高山书院肖盾、吕永超,清华教工曹敏丽、张鑫蕊、姚夏涵,以及杨怀越、杨怀超、杨怀谦三兄弟,杨光、杨淇奥祖孙俩,金勤献、刘自敏、金梦笛一家,杨华、杨珍晖夫妇,龚超、王梦之夫妇等,他们都在支持科博的路上写下浓墨重彩的一笔。 真挚感谢每一位捐赠者,您的每一笔捐款、每一件捐赠藏品,都使我们有幸透过时间的长度与空间的厚度,再次抚触科学器物背后的故事,感受器物蕴藏的科学力量。您对科学的热忱也将同这一件件器物载入科博建设历史,焕发出新的生机与活力。   科学博物馆永久馆址已经破土动工,竣工在望。尽管科学博物馆的各项筹备工作已有实质性成效,但在创建世界一流大学博物馆的道路上,仍然任重道远,面临资金、藏品等方面的种种困难,亟需来自社会各界的持续支持与帮助。 目前,随着科学博物馆筹备工作及永久馆舍建造的不断推进,科学博物馆也将持续开展并推进巴比奇差分机一号、唐迪钟、奥瑞仪、哈里森航海钟、焦耳桨轮实验装置、牛顿反射式望远镜、胡克复合显微镜等大型科学仪器购置/复原计划以及16-18世纪欧洲古天文仪器的复原项目、中国古代水力天文钟的复原项目、元代郭守敬的观象授时仪器复原项目等,以期进一步丰富科学博物馆收藏、研究、展陈等核心功能。 在此,全体科博人呼吁各位关心、热爱并支持科学博物馆事业发展的有识之士能与我们同心筑梦,共绘未来世界科学文化新华章,科学博物馆将以多种方式彰显、回报捐赠者的善举。 捐赠联系人:范老师 电话:010-62780628,13522892748 邮箱:fah@tsinghua.edu.cn   科学器物带着我们对科学的热爱与崇敬, 汇入科学文明的长河中, 这份深情也将会同器物一样 在眼波流转中染上岁月的斑驳, 但科博会为您的真诚与付出记载与定格。 蓦然回首时, 您终将会撩拨起对科学悸动的那份回忆。   责编|伊墨 文字|张泽明 审核 | 范爱红 鸣谢 | 清华大学教育基金会  
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清华大学科学史系与科学博物馆(筹)教职工赴故宫观展

2024年4月23日上午,由清华大学科学史系主任、科学博物馆馆长吴国盛带队,系馆教职工一行二十余人赴故宫博物院参观“紫禁城与凡尔赛宫——17、18世纪的中法交往”展览。 在中法建交60周年之际,展览《紫禁城与凡尔赛宫》以中法两国外交、文化和艺术交流为主题,展现百年间双方彼此尊重、相互欣赏的政治交往史和彼此借鉴、相互学习的文化交流史。展览精选约200件展品,多数收藏于凡尔赛宫和故宫博物院,涵盖科学仪器、瓷器、绘画、书籍等多种类型。是难得一见的与科学类收藏相关的展览。 在故宫博物院筹展团队成员王宜若老师的介绍下,科学史系与科博教职工参观了位于文华殿展出的展览。展览共分三个单元:第一单元为“龙与百合花的相遇”,主要介绍了中法间政治交往和文化交流的开端。第二单元是“紫禁城中的法国风景”,分为“礼品和定制”和“交汇与新创”两个章节。本单元展示了随着两国交往的不断深入,清代宫廷收藏中出现了种类丰富的法国器物,既有两国交往的礼品,又有传教士的贡献,更有清宫向法国定制的物品。而第三单元为“凡尔赛宫的中国时尚”,同样分为“收藏和改造”和“模仿与灵感”两个章节。其主要向参观者呈现了被法国王室成员和政要收藏的中国艺术品,并在展览中解析法国对中国进口物品的装饰和改造,以适应当地人的审美需求。 观展后,吴国盛教授就布展方式、藏品展示、科学器物收藏等问题与故宫博物馆院筹展团队进行了初步的交流,双方都希望在以后的工作中加强沟通与合作。 本次参观活动也是科学史系与科学博物馆首次联合举办团队建设活动,科学博物馆自成立以来,与科学史系联体运行,科学博物馆不仅为科学史系提供了一个宝贵的实践教学平台,同时也借助科学史系的学术资源,不断丰富和深化展览内容,让更多的公众能够领略到科学的魅力。这次活动不仅是系馆长期合作关系的一次深化,更是对未来更加紧密合作的一个美好展望。   撰稿:刘骁 摄影:孙德利,孟洁 审核:孟洁
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张自强先生向我馆捐赠四通MS-2411型打字机

2024年4月20日,张自强先生向我馆捐赠一台2000年生产的四通MS-2411型打字机。四通MS-2411型打字机由我国著名科技企业四通集团公司于1993年生产推出,是我国第一台符合ISO 10646《通用多八位编码字符集》的多国语种中外文打字机。 张自强先生曾担任四通公司工程师,全程参与了四通MS-2406中文打字机的研发,负责主机板的研发设计,获得四通集团开发一等奖。        延展阅读︱中文如何走进电子设备?专访四通打字机工程师张自强   (收藏部供稿)
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馆校共建:海淀区第三实验小学五一班师生走进清华大学科学博物馆

4月20日上午,北京市海淀区第三实验小学五一班师生三十余人在清华大学科学博物馆听取了一场生动有趣的博物馆讲座并在博物馆讲解员的带领下参观展览。这是科学博物馆根据北京市教育改革方针面向中小学开展的有关科学教育的馆校共建活动。   科学博物馆复原研究员杨智明为师生们带来一场题为《科学史上的伟大科学家》的科普讲座,他通过生动的讲解和展示,将一个个深奥的科学原理融入到科学家故事中,充分调动了学生们参与的积极性。一个小时的讲座时间过得飞快。师生们均表示意犹未尽。                     讲座结束后,师生们依次参观了科博的展览——“海外奇器——晚清士人眼中的西方科技世界”“百年器象——清华大学科学仪器历史展”。他们认真观看了各种展品,感受了科技发展的历史变迁,深刻理解了科学的伟大意义。   通过这次别开生面的博物馆讲座、参观活动,海淀区第三实验小学五一班师生们不仅开阔了眼界,增长了知识,更激发了他们对科学的热爱和学习的欲望。相信这次活动将成为他们学习生涯中宝贵的一课,开启他们对科学探索的新篇章。   (撰稿:孟洁   审核:范爱红)