想飛──工業革命到量子世代的另類體驗

文／普慶精舍護法會諮詢委員、國立高雄師範大學物理系副教授　周建和（傳嵩）

前言

　　人類夢想能夠像鳥類一樣在空中飛行，從玩具到各種飛航器的嘗試，從傳說神話到生活中的童話、流行歌曲，自古至今留下諸多足跡。在此用科普的角度，跟隨著人類科技與社會的演進，以「想飛」為題思索檢視，期待另一番風景。

　　通常飛行會先由滑翔談起，不依靠動力，而藉氣流的升降在空中飄行。不難發現連植物都想飛，每年春天來臨一直到夏季，依序會看到桃花心木、黃花風鈴木、青楓(槭樹)、木蝴蝶故紙花、柳絮等翅果滿街飛翔、攀附紗窗，單翼、雙翼、薄片、輕球等諸多形狀，各有演化上的巧妙，令人讚歎自然的神奇。植物想飛的理由單純，不外乎能趁風飛翔，利於物種繁殖與演化。那人類為什麼想飛呢？

從童玩竹蜻蜓到直升機

　　因為不能飛、想突破空間限制、想看到更多、想走得更快、想掌握更多等，是人們想飛的各種理由。兩千多年前中國人做出風箏和竹蜻蜓，算是最早的航空器之一，後來風箏曾被用來載人騰空。另一方面，竹蜻蜓成為中國孩子手中的玩具至今。相傳竹蜻蜓玩具於十四世紀傳到歐洲，啟發了十八世紀人們直升機的思路，被譽為「航空之父」的英國人喬治‧凱利對竹蜻蜓著迷，曾用鐘錶發條作為動力驅動旋轉，飛行高度達二十七米。

　　直升機是一種由水平旋翼提供升力和推進力的飛航器，垂直起降是其獨特的方便性。直升機主旋翼在提供升力的同時，也會產生反轉轉矩讓機身打轉，此時需要反轉矩尾旋翼，或者像無人空拍機上有多個旋翼用來抵消反力矩，讓機身穩定飛行不打轉。滑冰上用手推牆，會受牆的反作用力推動向後的「作用力反作用力定律」與此類似。據此延伸，受兒童喜愛的漫畫人物哆啦A夢，藉著頭上竹蜻蜓飛行的同時，手上應該拿著隱藏的風扇，否則身體會打轉。

飛機：達文西想像　萊特兄弟實現

　　十五世紀文藝復興時期藝術家達文西素描中，出現人力拍翼飛機以及直升機輪廓，這是最早的具體飛航器想法。經過兩次工業革命後進入二十世紀，在機械與動力漸入成熟的環境下，1903年萊特兄弟固定翼載人飛機飛行成功。除了循著前人在飛航器上的努力成果，特別著力飛行控制的研究試驗，以及自製風箱的飛行測試下，得以突破。飛行者一號翼長十二公尺，重量約二百七十公斤，具有十二匹馬力的發動機，在北卡羅來納州小鷹鎮起飛，飛行了五十九秒，二百六十公尺遠。

　　儘管每小時僅約十五公里多，只有家居腳踏車的速度，卻是人類重要的突破。現在我們可以坐著飛機，很快抵達世界各地，旅遊、留學、貿易、政治、交流等等，飛機帶動了世界的蓬勃發展。不過，也被用做武器，尤其是在接連的兩次世界大戰期間，飛機成了厲害的武器，造成大量的傷亡。

火箭：蘇俄Sputnik火箭啟動太空競爭

　　太空探險或載運人造衛星至太空需要借助火箭，火箭也稱為噴射推進器，是一種利用排出物質產生的反作用力推進的飛航器，由於可以做到持續短時間噴出大量高速物質，使火箭得以高速飛行，飛彈和噴射飛機的推進也是使用這類裝置。

　　火藥是中國古代四大發明之一，宋朝就出現過包裹火藥的箭，火藥增強飛行使箭的威力變大。明朝萬戶嘗試用火箭載人升空，火藥爆炸，萬戶飛上天，可惜沒安全回到地面。就算未正式找到相關史料，美國國家航空暨太空總署(NASA)還是留著這樣的記載，並曾將一個月球隕石坑命名為萬戶，由此可以看出火藥的運用與火箭的起源關係密切。

　　1957年，蘇聯率先用火箭發射第一顆人造地球衛星斯普特尼克一號(Sputnik 1)到太空，對於美國，不僅是廣闊的太空疆域被人捷足先登，敵人的眼睛在頭上太空中，還可能帶著各種致命武器……，當時的美國緊張到極點，全國各界團結一致同心協力進行一連串的改革。隔年美國成立了NASA，也成功發射了探險者一號和二號(Explorer 1, 2)，從那時候起二十多年的太空競爭，成為兩強冷戰的一個主要競爭點。

　　這次刺激的影響不只在軍事上，而是全面性的，就教育而言，現今一些國際重大教育改革的主流政策與觀念，可以說從那時候陸續開展，例如強調科學教育應注重「科學、科技和社會」的互動，而非只講究科學概念之學習的STS (Science- Technology-Society)，強調學生應培養跨領域素養和能力的STEM (S科學、T技術、E工程、M數學），及注重科學探究Inquiry的過程技能，將其列為美國國家科學教育標準等。

如何飛：從工業革命到量子世代

　　量子力學的建立至今一百二十多年，帶領人類對自然的認識由巨觀進入微觀，雖然原子組成物質是在希臘哲學年代、在十九世紀化學發展時，早就有的想法，現在可以一一實驗證明。由此發展出積體電路IC，讓電腦的容量更大，計算更快，而且時時刻刻都在不斷地突破。一般高速飛行的飛航器需要清楚方向定位，維持平穩的陀螺儀，以及各種反應快速的感測器，在近幾年的無人機上，這些都已經是容易取得的制式小電子零件，這些也是隨著量子力學發展出來的科技。

　　無人機指不需要登機駕駛的飛航器，一般用遙控或自動駕駛來控制。剛出來時掛上照相機當空拍機用，在科學研究、場地探勘、軍事、休閒娛樂用途上使用。很快地廣泛被應用於石油、天然氣、建築、能源、農業、救災等其他領域，用途的多樣性超越一般人想像。如果問無人機為什麼最近才問世？顯示了量子力學發展已經進入嶄新的階段，創新所需要的環境已經成熟。

　　從物理發展的角度，緊接著文藝復興運動的近代物理時期，牛頓力學、流體與熱力、電磁學在短短三百多年內紛紛建立，這些物理的突破帶來了兩次工業革命，促成萊特兄弟成功做出飛機，接著飛機變成兩次世界大戰的厲害武器。在量子力學百年後的當今，經過第三次工業革命發展成熟，孕育無人機的問世。相同地，無人機在最近的俄烏戰爭變成主要殺戮武器。科學的革命發現不僅使人類生活更便利，也會帶動社會劇烈的變化，同時也被用到武器改良上，甚至擦撞的火花引發世界大戰。

一起簡單飛　動手做一做

　　因為生活在地球表面受到地球引力牽制不能飛，人類發展出來的各種飛航器，運用機翼的特殊形狀、快速前進或快速旋轉，和空氣做相對運動，形成機翼上下空氣壓力差，藉此產生上舉的力量來抵抗重力，就可以飛了。掌握這樣的基礎原理，以下幾個動手操作就不難嘗試。

　　竹蜻蜓　由軸和機翼組成，多以竹木製做。將厚紙板剪長條，中央鑿洞，以吸管穿過約一公分，穿過部分剪開扳平，用釘書機或膠帶固定於紙板上，吸管當軸、紙板微向上揚即能滑翔，進一步將紙板兩端用扭的、或剪的，做成迎風面翹起的機翼，就能飛高飛遠，操作時得設法使其快速旋轉。

　　氣球火箭　利用氣球彈力驅動，將平常用的長條造型氣球(260氣球)剪半，吹脹後裁紙片黏上當尾翼，手持尾端以手指擠壓放開彈出即可。

　　指間迷你迴力鏢　又稱飛來去，取一張名片或撲克牌畫上三翼迴力鏢形狀圖案，將其剪下。固定中點使其三翼微向上揚，操作時將迴力標平穩放在一手食指上，另一手手指彈射設法使其高速旋轉，向上四十五度飛出，飛到高點還能保持旋轉，旋轉的動量會使其飛回來。

　　卡片迴力鏢　以丟擲方式射出，將年節賀卡或喜帖剪出約 1公分×10公分大小的長條兩片，疊成十字用雙面膠黏接，四翼端點各捆包上一圈透明膠帶增加轉動的慣性，能幫助持續旋轉，同樣固定中點使其四翼微向上揚。操作時拿在手中，鏢面斜四十五度角向前旋轉丟出，能持續旋轉時間長短是轉彎飛回來多少的關鍵。