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最早的飛行器械出現在中國,風箏早於公元前5世紀已經有記錄,稍後竹蜻蜓(Chinese Top or Flying Top)也出現了。兩者都可能是從對大自然的觀察得到靈感。載人飛行器械的試驗一直沒有停下來,中國和日本都有載人風箏的試驗。在十四世紀時,明朝有一位名叫萬戶的官員,曾以數十個火箭綁在自己坐著的椅上試圖飛行,很可惜他亦因此而喪生。
16世紀達文西觀察雀鳥的飛行和運用邏輯推論,設計了三種重於空氣的飛行器械(Heavier-Than-Air Craft):撲翼飛機 (Ornithopter)、直昇機的雛型(Air-Screw)和滑翔機(Glider)。雖然這些設計未必都真能飛行,不過他可算是對這個課題作出科學化建議的第一人。
到了18世紀啟蒙運動時期,羅吉爾(J. F. P. Rozier)和達爾郎迪斯(D’Arlandes)乘坐蒙戈爾費埃兄弟(Montgolfier brothers)製造的熱氣球,進行了第一次輕於空氣的飛行器械(Lighter-Than-Air Craft)的載人飛行。19世紀喬治‧凱萊爵士(Sir George Cayley)發表了令他被喻為「航空之父」的文章,其中提出了使用固定而傾斜的機翼來產生升力、利用方向舵控制方向、流線形的概念、以及直昇機的設想。他在19世紀中葉造出了第一艘載人滑翔機。之後各種動力飛行的試驗不斷出現,直至1903年萊特兄弟(Wright Brothers)成功進行了第一次的載人動力飛行(First Powered Flight)。
其後,投放在研究飛行的資源急速增加,而最大的支持來自軍方。兩次世界大戰令航空業有飛躍的發展(航空發展和軍事研究之間的關係是一個很有趣的STS課題),隨著日後商業、郵務、載人、載貨飛行的需求增加,才使航空變得平民化。到了現在,飛機已經成為最方便的長途交通工具。圖一顯示作用在飛機上最主要的數種力。推進力(Thrust)是由飛機引擎產生的推進力;阻力(Drag)是指空氣和飛機表面的相互作用而產生向後的力,簡單地說,阻力主要是指空氣的摩擦力,在正常飛行的情況下,小部份來自升力的水平分量;重力(Weight)是作用在飛機上的地心吸力;升力(Lift)是由飛機和空氣的相對運動所產生偏向上方的力,在本文中,我們簡單地假設它絕對垂直於水平。除這四種力外,還有當飛機需要改變方向時由機翼升降舵和尾翼方向舵所產生轉向的力,和相對比較小的空氣浮力。
圖一:於飛機的主要四種作用力
學生一般會容易明白為何會有推進力、阻力和重力,但對於如何產生升力往往感到疑惑。很多高中物理課本會以柏努利定律(Bernoulli’s Principle)來說明升力產生的原因,但是部份課文內容並不絕對正確,例如 Nolan (1993)、Culver (1993)、Griffin (2001) 和 Dobson & Grace (2002),這些會在2.2和2.6兩部份裏討論。(Weltner, 1990a; Raskin, 1994; Waltham, 1998; Eastlake, 2002)用了不同的方法來指出和糾正這些錯誤,當中有用流體力學來運算(Waltham, 1998),亦有以電腦模擬運算結果來說明翼型(或稱「空氣動力面」,Airfoil)上下的壓強差與飛行角度和速度的關係(NASA: FoilSim II)。但對於中學生來說,這些方法會比較艱深和抽象,以下我們會用現像論的方法來處理這些問題,當中會介紹一些簡單的器材來說明產生升力的原因。