想飞──工业革命到量子世代的另类体验

文／普庆精舍护法会谘询委员、国立高雄师范大学物理系副教授　周建和（传嵩）

前言

　　人类梦想能够像鸟类一样在空中飞行，从玩具到各种飞航器的尝试，从传说神话到生活中的童话、流行歌曲，自古至今留下诸多足迹。在此用科普的角度，跟随着人类科技与社会的演进，以「想飞」为题思索检视，期待另一番风景。

　　通常飞行会先由滑翔谈起，不依靠动力，而藉气流的升降在空中飘行。不难发现连植物都想飞，每年春天来临一直到夏季，依序会看到桃花心木、黄花风铃木、青枫(槭树)、木蝴蝶故纸花、柳絮等翅果满街飞翔、攀附纱窗，单翼、双翼、薄片、轻球等诸多形状，各有演化上的巧妙，令人赞叹自然的神奇。植物想飞的理由单纯，不外乎能趁风飞翔，利于物种繁殖与演化。那人类为什么想飞呢？

从童玩竹蜻蜓到直升机

　　因为不能飞、想突破空间限制、想看到更多、想走得更快、想掌握更多等，是人们想飞的各种理由。两千多年前中国人做出风筝和竹蜻蜓，算是最早的航空器之一，后来风筝曾被用来载人腾空。另一方面，竹蜻蜓成为中国孩子手中的玩具至今。相传竹蜻蜓玩具于十四世纪传到欧洲，启发了十八世纪人们直升机的思路，被誉为「航空之父」的英国人乔治‧凯利对竹蜻蜓着迷，曾用钟表发条作为动力驱动旋转，飞行高度达二十七米。

　　直升机是一种由水平旋翼提供升力和推进力的飞航器，垂直起降是其独特的方便性。直升机主旋翼在提供升力的同时，也会产生反转转矩让机身打转，此时需要反转矩尾旋翼，或者像无人空拍机上有多个旋翼用来抵消反力矩，让机身稳定飞行不打转。滑冰上用手推墙，会受墙的反作用力推动向后的「作用力反作用力定律」与此类似。据此延伸，受儿童喜爱的漫画人物哆啦A梦，借着头上竹蜻蜓飞行的同时，手上应该拿着隐藏的风扇，否则身体会打转。

飞机：达文西想象　莱特兄弟实现

　　十五世纪文艺复兴时期艺术家达文西素描中，出现人力拍翼飞机以及直升机轮廓，这是最早的具体飞航器想法。经过两次工业革命后进入二十世纪，在机械与动力渐入成熟的环境下，1903年莱特兄弟固定翼载人飞机飞行成功。除了循着前人在飞航器上的努力成果，特别着力飞行控制的研究试验，以及自制风箱的飞行测试下，得以突破。飞行者一号翼长十二公尺，重量约二百七十公斤，具有十二匹马力的发动机，在北卡罗来纳州小鹰镇起飞，飞行了五十九秒，二百六十公尺远。

　　尽管每小时仅约十五公里多，只有家居脚踏车的速度，却是人类重要的突破。现在我们可以坐着飞机，很快抵达世界各地，旅游、留学、贸易、政治、交流等等，飞机带动了世界的蓬勃发展。不过，也被用做武器，尤其是在接连的两次世界大战期间，飞机成了厉害的武器，造成大量的伤亡。

火箭：苏俄Sputnik火箭启动太空竞争

　　太空探险或载运人造卫星至太空需要借助火箭，火箭也称为喷射推进器，是一种利用排出物质产生的反作用力推进的飞航器，由于可以做到持续短时间喷出大量高速物质，使火箭得以高速飞行，飞弹和喷射飞机的推进也是使用这类装置。

　　火药是中国古代四大发明之一，宋朝就出现过包裹火药的箭，火药增强飞行使箭的威力变大。明朝万户尝试用火箭载人升空，火药爆炸，万户飞上天，可惜没安全回到地面。就算未正式找到相关史料，美国国家航空暨太空总署(NASA)还是留着这样的记载，并曾将一个月球陨石坑命名为万户，由此可以看出火药的运用与火箭的起源关系密切。

　　1957年，苏联率先用火箭发射第一颗人造地球卫星斯普特尼克一号(Sputnik 1)到太空，对于美国，不仅是广阔的太空疆域被人捷足先登，敌人的眼睛在头上太空中，还可能带着各种致命武器……，当时的美国紧张到极点，全国各界团结一致同心协力进行一连串的改革。隔年美国成立了NASA，也成功发射了探险者一号和二号(Explorer 1, 2)，从那时候起二十多年的太空竞争，成为两强冷战的一个主要竞争点。

　　这次刺激的影响不只在军事上，而是全面性的，就教育而言，现今一些国际重大教育改革的主流政策与观念，可以说从那时候陆续开展，例如强调科学教育应注重「科学、科技和社会」的互动，而非只讲究科学概念之学习的STS (Science- Technology-Society)，强调学生应培养跨领域素养和能力的STEM (S科学、T技术、E工程、M数学），及注重科学探究Inquiry的过程技能，将其列为美国国家科学教育标准等。

如何飞：从工业革命到量子世代

　　量子力学的建立至今一百二十多年，带领人类对自然的认识由巨观进入微观，虽然原子组成物质是在希腊哲学年代、在十九世纪化学发展时，早就有的想法，现在可以一一实验证明。由此发展出积体电路IC，让电脑的容量更大，计算更快，而且时时刻刻都在不断地突破。一般高速飞行的飞航器需要清楚方向定位，维持平稳的陀螺仪，以及各种反应快速的感测器，在近几年的无人机上，这些都已经是容易取得的制式小电子零件，这些也是随着量子力学发展出来的科技。

　　无人机指不需要登机驾驶的飞航器，一般用遥控或自动驾驶来控制。刚出来时挂上照相机当空拍机用，在科学研究、场地探勘、军事、休闲娱乐用途上使用。很快地广泛被应用于石油、天然气、建筑、能源、农业、救灾等其他领域，用途的多样性超越一般人想象。如果问无人机为什么最近才问世？显示了量子力学发展已经进入崭新的阶段，创新所需要的环境已经成熟。

　　从物理发展的角度，紧接着文艺复兴运动的近代物理时期，牛顿力学、流体与热力、电磁学在短短三百多年内纷纷建立，这些物理的突破带来了两次工业革命，促成莱特兄弟成功做出飞机，接着飞机变成两次世界大战的厉害武器。在量子力学百年后的当今，经过第三次工业革命发展成熟，孕育无人机的问世。相同地，无人机在最近的俄乌战争变成主要杀戮武器。科学的革命发现不仅使人类生活更便利，也会带动社会剧烈的变化，同时也被用到武器改良上，甚至擦撞的火花引发世界大战。

一起简单飞　动手做一做

　　因为生活在地球表面受到地球引力牵制不能飞，人类发展出来的各种飞航器，运用机翼的特殊形状、快速前进或快速旋转，和空气做相对运动，形成机翼上下空气压力差，借此产生上举的力量来抵抗重力，就可以飞了。掌握这样的基础原理，以下几个动手操作就不难尝试。

　　竹蜻蜓　由轴和机翼组成，多以竹木制做。将厚纸板剪长条，中央凿洞，以吸管穿过约一公分，穿过部分剪开扳平，用钉书机或胶带固定于纸板上，吸管当轴、纸板微向上扬即能滑翔，进一步将纸板两端用扭的、或剪的，做成迎风面翘起的机翼，就能飞高飞远，操作时得设法使其快速旋转。

　　气球火箭　利用气球弹力驱动，将平常用的长条造型气球(260气球)剪半，吹胀后裁纸片粘上当尾翼，手持尾端以手指挤压放开弹出即可。

　　指间迷你回力镖　又称飞来去，取一张名片或扑克牌画上三翼回力镖形状图案，将其剪下。固定中点使其三翼微向上扬，操作时将回力标平稳放在一手食指上，另一手手指弹射设法使其高速旋转，向上四十五度飞出，飞到高点还能保持旋转，旋转的动量会使其飞回来。

　　卡片回力镖　以丢掷方式射出，将年节贺卡或喜帖剪出约 1公分×10公分大小的长条两片，叠成十字用双面胶粘接，四翼端点各捆包上一圈透明胶带增加转动的惯性，能帮助持续旋转，同样固定中点使其四翼微向上扬。操作时拿在手中，镖面斜四十五度角向前旋转丢出，能持续旋转时间长短是转弯飞回来多少的关键。