达芬奇在飞行器方面的研究论文

达芬奇钻研科学、工程领域就像他的艺术作品般令人难忘与突出。手稿中约13,000页的笔记与绘画全是混合艺术与科学所组成的纪录。这些纪录是达芬奇在欧陆行程中透过观察周遭并不断的创作而来。左撇子的他终其一生均以镜像写字。对左手写作者来说，将羽毛笔由右向左拉过来写比由左向右推过去写容易，而且不会将刚写好的字弄糊。因此，他的日记都是镜像字。在科学上，达芬奇是一个巨细靡遗的观察家，能以极精细的描述手法表示一个现象。但却不是透过理论与实验来验证。因为缺乏拉丁文与数学的正式教育，同时期的学者大多未注意到在科学领域中的达芬奇。而达芬奇则靠自学懂得拉丁文。也曾有人说达芬奇打算发表一系列包含各种主题的论文，但终未实现。达芬奇在师从韦罗基奥(Andrea del Verrocchio)时开始认识人体解剖学。当时韦罗基奥坚持要所有门徒学习解剖学。当达芬奇成为成功的艺术家时，得到于佛罗伦斯圣玛丽亚纽瓦医院(hospital Santa Maria Nuova)解剖人体的许可。之后他在米兰马焦雷医院(hospital Maggiore)以及罗马圣灵医院(hospital Santo Spirito；第一个意大利本土医院)作业。西元1510至1511年，则与托尔医生(doctor Marcantonio della Torre；1481年—1511年)共同工作。30年内，达芬奇共解剖了30具不同性别年龄的人体。当与托尔医生共同工作时，达芬奇准备出版解剖学理作品并制绘了超过200篇画作。然而，他的书直到西元1680年(辞世161年)才以《绘画论》为名出版。除了人体外，达芬奇也解剖了牛、禽、猴、熊、蛙以作为解剖结构比较。达芬奇画了许多人体骨髂的图形，同时他也第一个具体描绘脊骨双S型态的人。他也研究骨盆和骶骨的倾斜度以及强调骶骨不仅非单一形态，而且是5个椎骨组成。达芬奇也能卓越的表现头骨的形态以及脑部不同的交叉截面图(横断面、纵切面、正切面)。他画了许多图包括肺脏、肠系膜、泌尿道、性器官甚至性交。他是第一个画出子官中胎儿(他希望暸解“生育奇迹”)同时也是第一个画出腹腔中兰尾的人。此外达芬奇经常描绘颈部和肩膀的肌肉和肌腱。西元2005年，达芬奇的画作激发一位英国心脏外科医师领先发展一个修补受损心脏的新方法[2]。他可说是局部解剖图宗师，不仅研究人体解剖表现杰出，而且在涉猎其他动物解剖时一样表现出色。达芬奇不只关心身体结构，也关心生理功能，这使得他变成解剖学家和生理学家。他积极寻找外观有明显生理缺陷的人作为模特儿以便画成滑稽的画作突显生理功能的意义。值得一提的是达芬奇可以同时一手作画一手写字。基于人体解剖研究也使得达芬奇设计出史上第一个机器人。这个被称作达芬奇机器人(Leonardo's robot)的设计可能是在西元1495年完成但直到西元1950年代才被发现。目前不知这个设计是否要作成实体。由于着迷飞行现象，达芬奇作了鸟类飞行的详细研究，同时策划了数部飞行机器，包括了以4个人力运作的直升机(但因机体本身亦会旋转故无法作用)以及轻型滑翔翼。西元1496年1月3日，他曾测试了一部自制飞行机器但失败。1502年，达芬奇曾为伊斯坦布尔鄂图曼苏丹巴耶塞特二世的土木工程专案制作单一跨距达240米(720英尺)的桥梁草图。这个设计打算让桥梁跨越博斯普鲁斯海峡口的金角湾(Golden Horn)。但因巴耶塞特二世认为无法建设而未实作。西元2001年，奠基于达芬奇的设计，威卜琼·山得达芬奇专案(Vebjørn Sand Da Vinci Project)让此桥以小桥的形式在挪威付诸实行。而在西元2006年5月17日，土耳其政府决定在实地建设达芬奇桥跨越金角湾让该桥终究成形。1490年，达芬奇将无段连续自动变速箱[4]概念绘制成草图。今日，达芬奇的变速概念以现代化形式实际使用在汽车上。此外，无段连续自动变速箱也已经在拖拉机、雪上摩托车、速克达机车等使用许多年。由于达芬奇曾任军事工程师，笔记中也包含了数种军事机械的设计：机关枪、人力或以马拉动的武装坦克车、子母弹、军用降落伞、含呼吸软管以猪皮制成的潜水装等等。不过，后来他却认为战争是人类最糟的活动。其他的发明包括了潜水艇、被诠译为第一个机械计算机的齿轮装置，以及被误解为发条车的第一部可程序化行动机器人。此外，达芬奇在梵谛冈那些年里，曾计划应用太阳能而使用凹面镜来煮水。尽管达芬奇大多数的发明在他的生平并未实现，但在IBM赞助下，实作了许多模型在昂布瓦斯的克洛斯宅达芬奇博物馆展示。

达·芬奇诞生在意大利芬奇镇附近的安基亚诺村，芬奇镇靠近佛罗伦萨。父亲是当地有名的公证人，家庭富有。达·芬奇是非婚生子，他的童年是在祖父的田庄里度过的.孩提时代的达·芬奇聪明伶俐，勤奋好学，兴趣广泛。他歌唱得很好，很早就学会弹琵琶，他的即兴演唱，不论歌词还是曲调，都让人惊叹。他尤其喜爱绘画，常为邻里们作画，有“绘画神童”的美称。当时，皮埃罗受一位农民的委托，要画一幅盾面画。他听说儿子会画画，想试试儿子的画艺，便将这任务交给了小芬奇。小芬奇凭借自己丰富的想象力，用了一个月的时间，画成了一个骇人的妖怪。这妖怪长着火球般的眼睛，张着血盆大口，鼻孔中喷出火焰和毒气，样子十分的恐怖。作品完成后，小芬奇请父亲来到他的房间。他把窗遮去一半，将画架竖在光线恰好落在妖怪身上的地方。皮埃罗刚走进房间时，一眼就看到了这个面目狰狞的怪物，吓得大叫起来。小芬奇则笑着对父亲说：“请您拿去吧，这就是它该产生的效果。”皮埃罗从此确信儿子有绘画天赋，便将小芬奇送往佛罗伦萨，师从著名的艺术家委罗基奥，开始系统地学习造型艺术。此时的达·芬奇只有14岁。委罗基奥的画舫是当时佛罗伦萨著名的艺术中心，经常有意大利人文主义者在这里聚会，讨论学术问题。达·芬奇在这里结实了一大批知名的人文主义者、艺术家和科学家，开始接受人文主义的熏陶。 达·芬奇在20岁时已有很高的艺术造诣，他用画笔和雕刻刀去表现大自然和现实生活的真、善、美，热情歌颂人生的幸福和大自然的美妙。达·芬奇并不满足他的这些才干，他要掌握人类思想的各个领域。他眼光独到，做事干练，具有艺术的灵魂。有一次，他在山里迷了路，走到了一个漆黑的山洞前。他在后来回忆这段经历时说：“我突然产生了两种情绪——害怕和渴望：对漆黑的洞穴感到害怕，又想看看其中是否会有什么怪异的东西。”他一生都被这两种情绪所羁束——对生活之不可知或无力探知的神秘感到害怕，而又想把这个神秘之不可知性加以揭露，加以研究，解释其含义，描绘其壮观。他很早就下定决心，要做一个研究者、一个教师、尤其是一个艺术家。科学巨匠在文艺复兴早期，人们盲目地接受传统观念，崇拜古代权威和古典著作。人们学习科学知识也只是学习象《圣经》一样的亚里士多德的理论，只相信文字记载。达·芬奇反对经院哲学家们把过去的教义和言论作为知识基础，他鼓励人们向大自然学习，到自然界中寻求知识和真理。他认为知识起源于实践，只有从实践出发，通过实践去探索科学的奥秘。他说“理论脱离实践是最大的不幸”，“实践应以好的理论为基础”。达·芬奇提出并掌握了这种先进的科学方法，采用这种科学方法去进行科学研究，在自然科学方面作出了巨大的贡献。他提出的这一方法，后来得到了伽利略的发展，并由英国哲学家弗兰西斯．培根从理论上加以总结，成为近代自然科学的最基本方法。 达·芬奇坚信科学，他对宗教感到厌恶，抨击天主教为“一个贩卖欺的店铺”。他说：“真理只有一个，他不是在宗教之中，而是在科学之中。”达·芬奇的实验工作方法为后来哥白尼、伽利略、开普勒、牛顿等人的发明创造开辟了道路。● 天文。达·芬奇对传统的“地球中心说”持否定的观点。他认为地球不是太阳系的中心，更不是宇宙的中心，而只是一颗绕太阳运转的行星，太阳本身是不运动的。达·芬奇还认为月亮自身并不发光，他只是反射太阳的光辉。他的这些观点的提出早于哥白尼“太阳中心说”。甚至在当时，达·芬奇就幻想利用太阳能了。● 物理。达·芬奇重新发现了液体压力的概念，提出了连通器原理。他指出：在连通器内，同一液体的液面高度是相同的，不同液体的液面高度不同，液体的高度与密度成反比。他发现了惯性原理，后来为伽利略的实验所证明。他认为一个抛射体最初是沿倾斜的直线上升，在引力和冲力的混合作用下作曲线位移，最后冲力耗尽，在引力的作用下作垂直下落运动。他的这一发现使亚里士多德的落体学说产生了动摇。他发展了杠杆原理，除推导出作用力与臂长关系外，还算出了速度与臂长的关系。他指出了“永动机”作为能源的不可能性。达·芬奇还预示了物质的原子原理，形象生动的描述了原子能的威力：“那东西将从地底下爆起，……使人在无声的气息中突然死去，城堡也遭到彻底毁坏，看起来在空中似乎有破坏力。”● 医学。达·芬奇在解剖学和生理学上也取得了巨大的成就，被认为是近代生理解剖学的始祖。他掌握了人体解剖知识，从解剖学入手，研究了生理学和医学。他最先采用蜡来表现人脑的内部结构，也是设想用玻璃和陶瓷制作心脏和眼睛的第一人。他发现了血液的功能，认为血液对人体起着新陈代谢的作用。他说血液不断的改造全身，把养料带到身体需要的各个部分，再把体内废物带走。达·芬奇研究过心脏，他发现心脏有四个腔，并画出了心脏瓣膜。他认为老年人的死因之一是动脉硬化，而产生动脉硬化的原因是缺乏运动。后来，英国的威廉．哈维证实和发展了达·芬奇的这些生理学成果。● 建筑。在建筑方面，达·芬奇表现出卓越的才华。他设计过桥梁、教堂、圆屋顶建筑和城市下水道。在城市街道设计中，他将车马道和人行道分开；设计城市建筑时，具体规定了房屋的高度和街道的宽度。米兰的护城河就是他设计和建造的。● 水利工程。达·芬奇对水利学的研究比意大利的学者克斯铁列早一个世纪。为了排除泥沙，他作了疏通亚诺河的施工计划。他设计并亲自主持修建了米兰至帕维亚的运河灌溉工程。由他经手建造的一些水库、水闸、拦水坝便利了农田灌溉，推动了农业生产的发展。有些水利设施至今仍在发挥作用。● 军事和机械。达·芬奇的研究和发明还涉及到军事和机械方面，他发明了飞行机械、直升飞机、降落伞、机关枪、手榴弹、坦克车、潜水艇、双层船壳战舰、起重机等等。● 地质学。达·芬奇根据高山上有海中动物化石的事实推断出地壳有过变动，指出地球上洪水的痕迹是海陆变迁的证明，这个思想与300年后赫顿在地质学方面的发现颇为近似。并且在麦哲伦环球航行之前，他就计算出地球的直径为7000余英里。他还在数学领域和水利工程等方面作出了重大的贡献。 可以说，达·芬奇的研究涉及到自然科学的每一部门，他的思想和才能深入到人类知识的各个领域。他是世界上少有的全面发展的学者。但是，达·芬奇的大多数著作和手稿都没有发表，直到他逝世后多年才被世人所发现。科学史家丹皮尔这样评论达·芬奇，“如果他当初发表他的著作的话，科学本来一定会一下就跳到一百年以后的局面。”● 他是直升机之祖这位文艺复兴时期的天才早在莱特兄弟之前就有可能开创人类飞行的历史。“如果他当初发表了他的著作的话，科学一定会一下就跳到一百年以后的局面。猜测这种情况对人类的学术与社会的进步，当然是毫无用处的，但是我们可以万无一失地说，如果真有这种情况发生的话，人类的学术和社会的演变一定都会大不相同，”科学史家丹皮尔津津乐道的这位科学巨人正是达·芬奇。事实上，达·芬奇时代的人们也与前人一样，有着飞行的梦想。在佛罗伦萨呆了一段时间后，达·芬奇又来到米兰。1483至1486年期间，达·芬奇绘制了一幅飞行器草图。在达·芬奇的设想中，这是一种依靠飞行员自身提供动力来驱动的飞行器。这位天才称自己的设计为“扑翼飞机”，达·芬奇让自己的飞机同时具备了推动力和提升力。让我们姑且根据达·芬奇画的草图来还原出这架飞机。飞机的外形由木头、帆布等当时的材料制成，在飞行器两侧是一双膜状的翅膀，结构和形状酷似蝙蝠或翼龙，这双翅膀展翼可以达到11米。飞行员背负着这个巨大的飞行器，通过不停地踩动一个动力滑轮来驱动，而这个推动力又通过手摇曲轴得到放大，同时向提升装置提供动力。设计出这款飞机时，达·芬奇心中一直有个理念：只要力量足够就可以飞行。看来，这位文艺复兴时期的天才早在莱特兄弟之前就有可能开创人类飞行的历史。事实上，这个最早的飞行器的机械设计十分完美，但是，由于人自身所提供的动力和飞行器本身的自重相比不成比例，是无法实际应用的。事实上，达·芬奇称自己的发明也是提供一个直升动力，而不是真正能工作的飞机。直到今天，人们还将达·芬奇的设计视为直升机的先祖。● 他设计出初级机器人更为奇妙的是，达·芬奇还设计了一套方法以做心脏修复手术。达·芬奇曾自称自己没有受过书本教育，大自然才是他真正的老师。而认识自然，认识自己。这位文艺复兴时期的天才不遗余力地履行着。为了认识人类自身，达·芬奇亲自解剖了几十具尸体，对人体骨骼、肌肉、关节以及内脏器官进行了精确了解和绘制。在多次解剖后，达·芬奇发现了血液对人体所起到的新陈代谢作用，血液把营养带到身体的各个部分，又把废物从各部分带走。在具体的解剖观察中，达·芬奇发现了心脏由4个腔组成并画出了心脏瓣膜图。事实上，当年达·芬奇连人体循环系统工作机理的一点概念都没有。更为神奇的是，2005年，一名英国外科医生还利用达·芬奇设计的方法做心脏修复手术。不过，解剖学的研究在当时并没有给达·芬奇带来声誉，而是遭到了无数的诽谤。不过，就是对人体的这种深入了解，达·芬奇在手稿中甚至绘制了西方文明世界的第一款人形机器人。达·芬奇赋予了这个机器人以木头、皮革和金属的外壳。而如何让机器人动起来，才是让达·芬奇大伤脑筋的。在达·芬奇的构想中，他想到了用下部的齿轮作为驱动装置。由此通过两个机械杆的齿轮再与胸部的一个圆盘齿轮咬合，机器人的胳膊就可以挥舞，坐或者站立。更绝的是，再通过一个传动杆与头部相连，头部就可以转动甚至可以开合下颌。而一旦配备了自动鼓装置后，这个机器人甚至还可以发出声音。原来，500多年前，就已经有了机器人的雏形。● 点燃现代汽车发明灵感之火的正是这辆“达·芬奇汽车”。达·芬奇长达7000多页的手稿(现存约5000多页)至今仍在影响科学研究，他就是一位现代世界的预言家，而他的手稿页被称为一部15世纪科学技术的真正百科全书。很早，达·芬奇就对当时的四轮马车不满。在他的科学世界中，早就有了汽车的影子。事实上，点燃现代汽车发明灵感之火的正是这辆“达·芬奇汽车”。既然是汽车就要考虑动力问题，达·芬奇在汽车中部安装了两根弹簧以解决这个问题。人力转动车的后轮使得各个齿轮相互咬合，弹簧绷紧就产生了力，再通过杠杆作用将力传递到轮子上。那么怎么控制车速呢？达·芬奇也想到了。他在车身上安装了一个圆盘装置，圆盘表面设置了很多方形的木块，和每个轮子连接的铁杆另一端与圆盘相接，这就是用于控制车速的装置。圆盘扇放置的木块数量越多，与铁杆之间的摩擦就会越大，阻力也越大，轮子的运转速度越慢，行驶的距离越长。当然，达·芬奇也想到了刹车装置。位于齿轮之间有一个木块，拉动绳索将木块卡在齿轮之间，车就可以停止。不过，这辆汽车不能载人，因为仅靠弹簧的动力根本无法行驶很长的距离。同时，达·芬奇还将弹簧巧妙地运用在了钟表设计上。后来大型钟表采用的原理，就是出自达·芬奇的设想。只是在这个设想中，弹簧的弹力被物体的重力所代替，物体向下的重力通过众多齿轮咬合作用被均匀传递，钟表便得以保持匀速运动。此外，挖河机、潜水机、起重机、照相机、加热机、温度计……达·芬奇曾有过无数的发明设计。而这些发明足足可以让我们的世界科学文明进程提前100年。● 对机械世界痴迷不已水下呼吸装置、拉动装置,发条传动装置、滚珠装置、反向螺旋、差动螺旋、纺织物扩张器……达·芬奇将他无数的奇思妙想呈现在世人面前。故事的开头不得不说起达·芬奇初到佛罗伦萨学画的经历。事实上，这段经历开启了艺术家达·芬奇的大门，也开启了科学家达·芬奇的大门。1460年，达·芬奇随父亲来到佛罗伦萨，开始了他的学徒生涯，同时开始学画。学画的达·芬奇参与安装佛罗伦萨圣母玛丽亚大教堂穹顶灯塔上巨型铜球，由此接触并感受到了各式各样机械系统的神奇。佛罗伦萨圣母玛丽亚大教堂是文艺复兴建筑的开端。达·芬奇在安装穹顶灯塔上巨型铜球时，亲眼目睹了三速提升机等机械装置的效率，深感其中的神奇。由此，布鲁内莱斯基的机械系统设计理念对达·芬奇产生了很大影响。当时一批“锡耶纳工程师”对达·芬奇的科学世界也产生了重要影响。而锡耶纳的工程师们设计的一种外形像船的河道淤泥挖掘机，用来清除浅水狂口的沙砾和淤泥，还有一种能够提高装载量又加快行驶速度的桨叶船，这些锡耶纳工程师的发明，让达·芬奇对机械的魔力产生了巨大的兴趣。从此，达·芬奇对机械世界痴迷不已。艺术大师说到艺术创作，在文艺复兴时期当数达·芬奇、米开朗基罗和拉斐尔的成就最高。他们的艺术成就达到了西方造型艺术继古希腊之后的第二次高峰，仅绘画而言，则达到了欧洲的第一次高峰。其中尤以达·芬奇最为突出，恩格斯称他是巨人中的巨人。在艺术创作方面，达·芬奇解决了造型艺术三个领域——建筑、雕刻、绘画中的重大课题：1、解决了纪念性中央圆屋顶建筑物设计和理想城市的规划问题；2、完成了15世纪以来雕刻家深感棘手的骑马纪念碑雕像的课题；3、解决了当时绘画中两个重要领域——纪念性壁画和祭坛画的问题。达·芬奇的艺术作品不仅象镜子似的反映事物，而且还以思考指导创作，从自然界中观察和选择美的部分加以表现。壁画《最后的晚餐》、祭坛画《岩间圣母》和肖像画《蒙娜丽莎》是他一生的三大杰作。这三幅作品是达·芬奇为世界艺术宝库留下的珍品中的珍品，是欧洲艺术的拱顶之石。传说，在他年轻时，有一次帮老师在一副名为《约翰为基督洗礼》的画中画了一个小天使，结果其水平超过了老师画的所有其他人物。这位在当年已有些名气的老师羞愧难当，从此不再涉猎绘画，只搞雕塑了。达芬奇最为世人所熟悉的就是他绝高的绘画艺术，其最著名的作品有：《蒙娜丽莎》《最后的晚餐》《岩间圣母》《圣安娜与圣母子》等。《蒙娜丽莎》的绘制前后历时四年。据说模特是佛罗伦萨人，刚刚丧婴，为解除她的痛苦并露出自然的微笑，莱奥纳多便请人来为她奏乐。她的微笑是人们津津乐道的话题，有时似乎是很严肃有时又象很温柔；有时略含忧伤有时又显讥讽。蒙娜丽莎的右手更被称为“美术史上最美的一只手”。《最后的晚餐》绘制在格拉齐教堂圣餐厅的墙壁上。达芬奇一改前人绘制“最后晚餐”围桌而座的布局，让所有人物座成一排面向外，而耶稣基督座在最中间。文艺复兴精神的代表达·芬奇比之文艺复兴时期中的任何一人，有更多的、领域更广的幻想。他思想深邃、博学多才。他怀着永无休止的探索精神去研究自然和人生的一切奥秘，他把艺术和科学、理智和情感、形体和精神熔于一炉，继承和发扬了前人的人文主义思想和现实主义表现手法，把艺术推进到一个前所未有的高度，为自然科学的发展作出了巨大贡献。 达·芬奇是当之无愧的“文艺复兴时代最完美的代表人物”。

在航空史上，达·芬奇曾深入地研究过人类如何模仿鸟类飞行，设计过靠上下拍打的人工翅膀飞行的机器。

达芬奇笔记本中蝙蝠状翅膀的草图开始这篇文章。他对蝙蝠和鸟类的飞行非常感兴趣，他用很多篇幅来了解这些生物是如何飞行的。这是早期人类飞行研究的共同灵感，他早期对人类飞行的研究是受蝙蝠和鸟类启发的机翼关节。

这些对翼状机构的孤立研究导致了对飞行器的更发达的想法。这些研究中的大部分都依赖于人类的肌肉力量来驾驶这些飞行器。不幸的是，人力飞行是不可能的，因为仅靠人的肌肉无法产生足够的升力。尽管如此，达芬奇仍然相信这是可能的，他在勾勒自己的想法时想出了一些引人入胜的设计。

达芬奇在人力飞行器上投入了大量时间和精力，但在 1480 年代后期的研究之后，他似乎意识到这些尝试是徒劳的，并短暂地放弃了对飞行的追求。几年后，他又回到了这个话题上，重新集中精力研究鸟类是如何飞行的。他为此专门写了很多页，并在 1505 年左右出版了他的《鸟类飞行法典》，其中研究了鸟类如何飞行，以试图理解和重现它。

达芬奇在数学上有很深的造诣！