热气球、孔明灯、走马灯……想必很多小伙伴对这些物件都不陌生，但你知道吗？热气球的发明源自孔明灯，而走马灯更是催生了喷气发动机。这些古代发明影响了现代航空，乃至军事战争。具体是怎么做到的呢？我们一起来看。
孔明灯
催生热气球
孔明灯俗称“许愿灯”。相传这种灯笼的外形酷似三国时期蜀国宰相诸葛孔明戴的帽子，也有人说这种会飞的灯是诸葛亮发明的，故得其名。但在早于孔明生卒年代的西汉时期，《淮南子·万毕术》中已有类似现象记载：“取鸡子，去其汁，然（燃）艾火纳空卵中，疾风因举之飞。”意思是说在空鸡蛋壳中燃艾绒，蛋壳可飞上天空。这说明我们的先祖很早就认识到轻盈的物体可以在热空气作用下升空。
孔明灯与热气球的升空原理相同
如下图所示，左侧灯体中蜡烛未点燃时，温度较低（t1），灯内空气密度大，灯的总重量较大（G1）；右侧灯体中蜡烛点燃时，温度升高至t2，灯内空气密度变小，灯的总重量变小至G2。这个时候孔明灯受到的浮力就等于其排出同体积的环境空气的重力（空气质量乘以重力加速度）。根据阿基米德定律，当浮力大于孔明灯自身与灯内的气体重力的总和G2时，孔明灯就能在空气中漂浮起来。
孔明灯升空原理分析（绘图/林汉京）
孔明灯在中国古代多做军事用途，主要用来传达军事讯息，以及探测风向和风速。热气球运动则是其原理在现代的发展与应用。
走马灯
孕育喷气发动机
走马灯的构造很像竹蜻蜓与孔明灯的组合体。它的内部有一根可以旋转的立轴，上部装一个叶轮（有多个叶片的竹蜻蜓），立轴下端则装一盏灯或一支蜡烛作为热源。热源点燃后，上方空气受热上升，通过叶轮后从灯体的上方离去，而冷空气由下方源源不断进入灯体。这样形成空气在灯体内由下向上的单向流动从而推动叶轮，并带动与立轴相连的图像（走马）在灯内转动。
走马灯
走马灯具体发明时间尚不清楚，但到秦朝时它已制作精良。它是世界上第一款使用热动力驱动涡轮旋转做功的机械装置，它实现了热能向机械能的转换，成为涡轮喷气发动机的鼻祖。1921年法国人获得了第一个喷气发动机的专利；1939年8月德国制作了世界上第一架喷气式飞机；1950年，朝鲜空战成为世界上第一次喷气式飞机的对决。喷气式飞机的出现催生了军用飞机的升级换代，加大了航空在军事上的作用，也加强了制空权在现代战争中的地位。
在涡轮喷气发动机技术基础上改进发展而来的新型大功率航空涡轮风扇发动机。展品陈列于民航博物馆（摄影/张翔）
除了孔明灯、走马灯，风筝和竹蜻蜓也对现代航空有重要影响哦，例如飞机能够飞上天离不开“风筝效应”（点击可回顾：少年科学粉 | 什么是“风筝效应”，竟能助力飞机直上云霄？），以竹蜻蜓为原型的螺旋桨推进器则被应用于喷气时代以前几乎所有的飞机。即使是现在，大大小小的直升机依然在它们的顶部安装至少两部大大的竹蜻蜓——旋翼。
以后再乘坐热气球或者飞机的时候，你也可以观察一下说不定能有不一样的发现呢。
撰文/林汉京
本文节选自《知识就是力量》杂志
