【蓝天之梦】03，浮力、升力与庄氏空气动力哲学
流体力学（Fluid mechanics）是力学的一门分支，是研究流体（包含气体、液体及等离子体）现像以及相关力学行为的科学。
流体力学按照研究对象的运动方式分为流体静力学和流体动力学。流体力学按照应用范围，分为空气力学和水力学等。
流体力学必须满足以下条件：质量守恒、能量守恒、动量守恒以及连续体假设（对于空气动力学非常重要）。
一，浮力
流体力学的研究至少可以追溯到古希腊时代，当时阿基米德研究流体静力学和浮力，在其著作【论浮体】中，提出了阿基米德定律，此书被视为第一本以流体力学为主的著作。
01，阿基米德浮力原理
古希腊的叙拉古城邦国王赫弄王，希伦二世让工匠制作了一顶纯金的王冠，为了验证是否纯金，让阿基米德检验。
阿基米德在洗澡时看到澡盆水溢出受到启发，他将王冠与同等重量的纯金放进两个水盆之中，发现王冠盆中溢出的水比另一盆多，这证明王冠的体积比相同重量的纯金的体积大，即密度不相同，从而揭露出王冠中参杂了其他物质（银子）。
之后阿基米德发表了著名的【论浮体】，按照各种固体和比重的变化来确定其浮于水中的位置，并且详细阐述和总结了后来闻名于世的阿基米德浮力原理。
阿基米德发现的浮力原理，奠定了流体静力学的基础，使人们对物体的沉浮有了科学的认识。
阿基米德定律公式：F浮力=G排开流体（物体在液体中所获得浮力=物体所排出液体的重量）。
02，浮力产生的原因
地球上浮力来源于重力，没有重力就没有浮力，浮力是重力的另一种表现形式。浸在流体内的物体受到流体垂直向上托起的作用力叫作浮力。
浮力产生的原因：液体受到重力的作用，不同深度有不同的压力，由于浸在液体中的物体上下底面的压力差而产生浮力。
产生浮力的主要因素：1，物体没入液体中的体积；2，液体的密度。3，重力=浮力时，物体浮在液体上，例如船和水都受到向下的力，但是因为密度和结构，水把船挤到上面去了。
03，浮力的应用
1．木头漂浮于水面是因为木材的密度小于水的密度。
2．钢铁制造的轮船，由于船体做成空心的，使它排开水的体积增大，受到的浮力增大，这时船受到的浮力等于自身的重力，所以能浮在水面上。轮船浮力的大小通常用排水量来表示（满载时排开水的质量），也就是排水量=船自身的质量+满载时货物的质量。
3．浸没在水中的潜水艇排开水的体积，无论下潜多深，始终不变，所以潜水艇所受的浮力始终不变，潜水艇的上浮和下沉是靠压缩空气调节水舱里水的多少来控制自身的重力而实现的。
4．热气球是气球里的空气被燃烧器加热，使气囊里的空气体积膨胀，比气球外的空气密度低，以产生浮力升空飞行。
5，死海的每百千克海水中含盐二十千克以上．死海海水的密度比人体的密度大，人的身体所受到的浮力就大于或等于人受到的重力．因此人可以轻松的浮在海面上。
6，煮饺子，饺子刚放入水中时，由于饺子所受到的浮力小于重力，会沉入水中，当饺子快煮熟时，饺子内的空气膨胀，体积增大，浮力也随之增大，饺子就浮出水面。
二，升力
牛顿的万有引力告诉我们，地球上的任何东西都受到重力作用会落到地面上。船可以通过扩大排水体积来达到克服重力浮在水面，但是物体如何获得浮力升到空中？
要想在空气中飞行，就只剩下利用空气这一途径了，幸运的是地球的大气足够稠密，可以担负起这一任务。
最简单的方式就是让飞行器比空气轻，靠空气的浮力来托起它，热气球和氦气飞艇就是这一类飞行器。它们可以静止地悬浮在空气中，但是那算不上飞。
三国时期，诸葛亮被司马懿困于四川平阳，诸葛亮测准风向，用纸灯笼系上求救信放上天空，得以报信获救，这是孔明灯的来历，也是人类最早利用热空气产生浮力使重于空气的物体升空的实例。
直到1903年12月17日，美国的莱特兄弟首次试飞了完全受控、依靠自身动力、机身比空气重、持续滞空不落地的飞机，也就是世界上第一架真正意义上的飞机，从此人类宣告战胜了上帝的意志，可以像鸟一样在蓝天上自由飞翔了。
01，飞机靠什么飞上天？
鸟类和昆虫靠扇动翅膀把空气排向下方来获得升力，飞行时翅膀上表面承受的空气压强比下表面承受的低。
风筝产生升力的原理本质上和飞机很相似，风筝本身有重量，会往地面降落，它之所以可以在空中漂浮飞翔，是受空气的力量支撑向上，这种力量称为扬力。绳子的拉力使其与空气产生相对运动，从而获得向上的升力。
直升机靠旋翼把空气排向下方来获得升力，升力作用在旋翼的叶片上，这些叶片就类似于固定翼飞机的机翼。
飞机靠前进的速度使机翼与空气产生相互作用来获得升力。
02，什么是升力？
升力（lift），当流体流经一个物体的表面时会对其产生一个表面力，而这个力垂直于流体流向的分力即为升力，与之相对的则是平行于流体流向的阻力。
如果流体是空气时，它产生的升力叫做空气动力，航空器要想升空，必须能产生克服自身重力的升力。
升力取决于空气的密度、速度的平方、空气的黏性，以及空气的可压缩性等互相关联的因素。
升力取决于机翼的大小，大致与机翼面积成比例。对于特定攻角的机翼，特定流量条件下产生的升力系数（公式如下）：
空气动力学是航空理论的最重要部分之一，升力是空气动力学的核心部分之一，因为涉及的内容太多，并且至今没有一个能完整解释升力物理现像的理论，所以只能在后面的篇幅中逐步解释。
03，飞机如何获得升力？
前一篇文章解释了飞机的机翼，如果理解了飞机机翼的各种翼剖面，就能理解升力与机翼的关系了。
飞机的升力主要来源于机翼上下表面气流的速度差导致的气压差，但机翼上下表面速度差的成因解释较为复杂。一般的解释是：升力的原理就是因为绕翼环量（附着涡）的存在导致机翼上下表面流速不同，所以压力也不同，从而产生方向垂直于相对气流的力，这个力就叫做升力。
学了太多有关升力的理论，解释各不相同，我个人理解：机翼升力的产生主要靠上表面吸力的作用，而不是靠下表面正压力的作用，一般机翼上表面形成的吸力占总升力的60-80%左右，下表面的正压形成的升力只占总升力的20-40%左右。所以不能认为：飞机被托在空中，主要是空气从机翼下面冲击机翼的结果。
飞机升力的产生与翼型密不可分，但实际升力的产生非常复杂，它与飞机整体的气动外形、飞机姿态和飞机附近气流相关。
例如歼20的设计就是一个成功的例外。
2019年9月29日，在河北沧州机场零距离参观歼20，那位北航毕业的博士生机械师向我解释：歼20采用了涡流控制技术的升力体机身、鸭翼、边条、机翼、后机身边条、外倾双腹鳍和外倾全动双垂尾的一体化非常规气动布局。
我看后感觉：歼20的鸭翼布局，距离机翼较远，中间以边条过渡，既能利用不同气动面产生的多涡系干扰提高飞机升阻特性，还有效加大鸭翼和飞机重心间距，提高了操纵效率。
可以说歼20是一款机身和机翼同时产生升力的飞机，特殊的气动布局设计，使我看到了我国的航空事业开始突飞猛进，赶超世界一流水平。当时看着歼20庞大的机身和矢量尾喷，连董鑫都落下了激动的泪水。
三，庄氏空气动力哲学
2336年前的夏日，子休刚满36岁，他坐在宋国菏泽东明县庄寨村西头，那棵老槐树下，看着河里的鱼，又盯着在天空盘旋的老鹰，心想这鹰为何能在天上飞而不掉下来，于是他的心也跟着飞上了蓝天。
接着那篇脍炙人口的文章【北冥有鱼】的腹稿油然而生。也就有了后来的美文【庄子.逍遥游】
01，北冥有鱼的空气动力哲学思考
【北冥有鱼】讲的是大鹏、蜩和学鸠的哲理故事，但是也蕴含了空气动力学的哲学思考。
庄子说：北冥有鱼，其名为鲲。鲲之大，不知其几千里也。化而为鸟，其名为鹏。庄子觉得鹰还太小，要造一个巨大的飞行物，才能飞的更加高和远，他把那架飞行器称为鹏，大概这就是鹏的来历。
文中写道：鹏之涉于南冥也，水击三千里，抟扶摇而上者九万里，去以六月息者也。关键字是抟，就是凭借的意思，鹏之所以能飞上九万里，飞行六个月，就是凭借风——空气与翅膀相互作用的升力，以及上升气流的作用力，从而得以飞行。庄子非常明确的提出利用空气是人类飞上天的唯一途径。
庄子说：切夫水之积也不厚，则其负大舟也无力。这里讲的是浮力原理的前提：F浮力=G排开流体 ，只有大江大海才能容得下大船的排水量。
庄子接着说：风之积也不厚，则其负大翼也无力。意思是水是如此，那么风也是这样，这风（气流）如果不够强劲，可能风筝都飞不起来，尤其如此大的大鹏，怎么飞得起来？
庄子又曰：故九万里，则风斯在下矣，而后乃今培风。大鹏需要九万里的翼下之风才能飞行。关键字是这个培，意思也是凭借的凭。要顺势而为，要依靠风的能量，大鹏凭借着风才能飞上蓝天，展翅翱翔。则风斯在下矣，就是明确的告诉人们，要想飞行，必须依靠风，也就是翅膀与空气的相互作用。
这就是中国最早的空气动力哲学思考。哲学是思想的钥匙，掌握了这把钥匙，才能发展出科学。
02，庄子哲思的启发
庄子和老子都是道家的代表人物，庄子的思想是承继于老子的，例如道法自然与无为等。
但老庄之间还是有区别的。庄子抛弃了老子思想中讲权术的一面。章太炎说：其术似与老子相同，其心乃于老子绝异......不欲以老子之权术自污也。
如果不是历代的独尊儒术，庄子的哲思能容于官衙市井，自然科学也许会在中国得到极大的发展。
03，吾不试故艺
子云，吾不试，故艺。
因为目前上的都是英文网课，个人理解有限，所以写的文章都是在复习中顺手牵羊，随手摘来，若有胡说乎？八道乎？愿受鞭笞乎、赐教乎，然则诺矣。
Hope to ask questions and doubts......
【综 上】
庄子说：鹏之涉于南冥也，水击三千里，抟扶摇而上者九万里，去以六月息者也。关键字是抟，就是凭借的意思，鹏之所以能飞上九万里，飞行六个月，就是凭借风——空气与翅膀相互作用的升力，以及上升气流的作用力，从而得以飞行。庄子非常明确的提出利用空气是人类飞上天的唯一途径。
（谢谢阅读）