飞机是怎么飞起来不掉下的呢？

图注：伯努利定理在机翼剖面上的空气动力学原理，可以看到上下表面空气流速的不同和压差，是升力产生的原因

这个问题其实可以分为两部分来回答，第一部分是先回答“飞机是怎么飞起来的”，第二部分则回答“飞机如何能保持一直飞行不掉下来”。

飞机是怎么飞起来的，其原理可以参照中国古人的一项有趣发明——“风筝”，除风筝外，人类早期的飞行努力，大都是如何让飞行器自身的重量比空气更轻，从而飞翔在空中，比如氢气球、热气球和飞艇等。但风筝明明比空气重，却能在空中飞起来而且飞得很高，这是为什么呢？

图注：风筝是比空气重却能在空中飞行的最早飞行器，它给了人研究空气动力学奥秘的灵感

我们知道，飞机之所以能飞起来，主要依靠的是机翼，那么我们对风筝和飞机机翼进行一番观察，我们会发现，在飞机和风筝飞行中，空气气流会流过风筝和机翼的上下表面，并分成上、下两股，分别沿着风筝和机翼的上、下表面流过，在机翼和风筝的后缘则会重新汇合向后流去。我们看机翼，它的形状一般都是做成上面凸起（多为圆滑弧面）、而下表面做成直线的，而风筝则因为被持续的大风和气流吹动，因此制作风筝的软质纸或丝绸等材料向上表面鼓起，在表面也形成弧形。经过人们研究后发现，由于机翼和风筝上表面为弧形，相应拉长了空气通过上表面的路径，而机翼下表面为平面，空气流经路径是直线，比上表面更短，而风筝下表面凹陷成空，空气仍大致沿较接近直线路径流动。但人们同样研究发现，虽然在机翼和风筝上下表面空气流经路径不同，但空气气流流经和汇合的时间是相同的，路径除以时间，这就意味着机翼和风筝上表面空气流速更快，下表面流速更慢。而根据科学家丹尼尔·伯努利在物理学的重要分支流体力学中发现的“伯努利定理”可知，在一个流体系统，比如气流、水流中，流速越快，流体产生的压力就越小。据此可以推知，机翼和风筝上表面空气流速快、压力小，下表面空气流速慢、压力大，上下表面因此产生的压差，因此就产生了一个从下向上的作用力，这个力在空气动力学中被命名为“升力”。这个升力，就是飞机和风筝虽然比空气重，但却能在空气中飞起来的原因。

自从人类发现了飞机和风筝飞行的奥秘之后，就开始研制一种无动力飞行器——滑翔机，19世纪，著名的英国科学家乔治·凯利爵士为代表的一群人，致力于滑翔机研究。1847年，凯利爵士设计制作了世界上第一架滑翔机，并由其马车夫驾驶飞行了大约450米，成为世界上成功把飞机飞上蓝天的第一人。由于凯利爵士在飞行原理方面的巨大贡献，他被后人尊称为“空气动力学之父”。

图注：第一架真正意义上的有动力飞机，莱特兄弟的“飞行者”1号

然而人类通过滑翔机和风筝等无动力飞行器的实践发现，这些无动力的飞行器虽然能够在空中飞行一定时间和距离，但终究会掉落到地上，这是为什么？关键是没有动力。没有动力推进，飞行器在飞行中全靠上下表面压差带来的升力维持。但实际的空气中，气流并不是理论中那样恒定的，由于空气本身密度分布不均、压力和温度分布也不是均匀的，这就导致空气中有时候有气压比周围低得多的低压区，无动力飞行器进入该区域后不但不上升反倒会下降，有时候则会遇到高压区（热气流），飞行器进入高压区后会剧烈上升。同时，在飞行中，滑翔机和风筝都很难保证和调整一定的迎角，以保持上下表面压差较为稳定，获得稳定升力。因此这些种种原因，就导致了风筝有时候突然会倒栽葱，失去升力状态，剧烈下降高度以至于掉下来，滑翔机在滑翔一定距离后也会降落。而鸟类，其依靠自身去感知大气变化，尽量利用上升热气流（高气压）飞行以节省体力，尽量躲避下降冷气流；鸟类的翅膀属于“可变形柔性机翼”，可以根据飞行状态和姿态自由改变迎角，以获得升力；鸟类在长时间飞行中还可以通过扑扇飞翼，以获得升力。可见，鸟类就可以看作是有动力飞机的学习榜样。

图注：滑翔机无动力，可以在空中飞行但无法长时间飞行

人类意识到这点后，终于在兰利等动力飞机研究先行者（为了纪念兰利在现代飞机研发中做出的贡献，美国航空航天局将其最大的研究实验室命名为兰利研究中心）的铺垫下，由莱特兄弟在1903年驾驶着以一台12马力活塞汽油发动机为动力的“飞行者”1号飞机，实现了人类的飞天梦想。有了动力持续给飞行器提供动能，使得飞机能够持续前飞并通过调整飞控系统获得足够的升力，从而维持长时间的飞行，这使得数千上万千米的洲际飞行成为可能，原则上，只要燃油不耗尽，动力不枯竭，飞机可以一直飞下去。