活塞发动机和喷气式发动机-绝妙的动力转换
周日，天气并没有放晴，我也就放心了，嗯，愉快的周末，下雨的周末。
本文最初的题目是《固定翼飞机如何起飞-绝妙的动力转换》，后来发现汽车使用的活塞发动机和飞机的喷气式发动机其背后竟然是一回事，就换了个题目。同时，我也真的觉得，技术代差不是靠 古已有之 这种自我评价可以弥补的。
在今年的元旦前夜的罗胖子跨年演讲中，他提到一件事，那就是活字印刷术竟然在印章出现很久后才出现，令人不可思议。
开始我也觉得惊奇，但是罗胖的东西往往是经不起推敲的，如果仔细想想，我们会发现类似的例子， 其背后不是思维定势无法使得原理相似的技术取得突破，而是文化积累导致的技术代差使然！
比如：
- 儿童散学归来早，忙趁东风放纸鸢。为什么飞机却没有造出来？
- 竹蜻蜓是中国古代传统民间小玩具，为什么直升机没有造出来？
- 火药中国古代早就有了，但为什么火炮却很久以后才被造出来？
- 弓箭，弓弩中国古代用了几千年，但是为什么没有造出火枪？
- …
省略号这个地方说说汽车。
我早就说过，现代汽车，不管是燃油汽车还是点动力汽车，其基本原理都和3000年前的铁器时代马拉战车没有任何区别，如果说陆地交通工具中有什么值得称道的发明，那一定是自行车而不是汽车！
但是汽车却来得很晚！Why？
能量转换效率以及随之的动力转换装置的原理复杂程度带来了技术代差！
为什么工业革命首先在英国发生，就是因为他们首先解决了驱动这些装置的能量问题，他们发现了大量的煤，他们首先解决了能量供给问题，自然就会迸发出超级多的能量转换方案，而这些能量转换方案带来的就是新式的工具。
蒸汽机时代之前，这种动力基本都是直接来源，比如来自于人力，畜力(牛力，马力等)，重力势能，这些动力来源的能量转换效率极低，因为 不管是人还是牛马，都不是用来仅仅拉车的 ，这些动物为了能拉得动车，必然要摄入大量的食物，而能量的来源正是来自于这些食物的燃烧，这是消化的过程，消化本身也要消耗大量能量
英国首先发现了大量的煤矿并且知道怎么利用它们。煤意味着什么？煤不用吃喝，不用消化，它是单纯提供能量的，它不像人，牛，马，还得吃喝供着。(它们是远古时代被供着的，但现在已经是纯奉献了…)
然后再看看汽车。燃油靠压缩空气点火燃烧，释放的能量直接推动活塞，活塞的运动直接通过各种曲轴转换为轮胎的转动，然后靠轮胎和地面摩擦力把汽车往前推。
看似简单成一个整体的能量供给过程，实则来自一系列简单物件之间紧密配合，而这种配合的细节正是导致技术代差的关键。
- 活塞发动机吸入空气
- 空气和燃料混合压缩
- 燃料燃烧释放能量
- 能量推动活塞运动
- 活塞运动驱动杠杆
- 杠杆驱动曲轴转动
- . …(复杂的机械)
- 轮胎转动
- 汽车前行
其中最关键的不是8和9，而是1到7，而我们传统的古代车辆，拥有的则只有8和9，1到7则几乎全部总结成，人，马，牛…
我们再回头看上面列举的那些例子，来回答Why：
- 风筝和飞机
风筝早就有了，但是依靠人力(或者狗力，猫力，鱼力都行)来提供动力。其实人们早就已经知道了在水平方向如何获得升力，放风筝时都是拉着平跑的，但是却很难在动力来源上获得突破。这个问题和汽车的问题基本上是一样的。 - 竹蜻蜓和直升机
螺旋桨旋转向下推空气，产生的向上升力，这个原理似乎也是超级简单，但是问题依旧，如何持续提供动力让这个螺旋桨持续旋转，这是一个问题。
固定翼飞机和直升机没有造出来，其本质原因和汽车没有造出来的原因是一样的，核心的难度在于持续高效的能量供给，而不是什么空气动力学。 - 烟花和火炮
拿烟花去打从来没有见过火药的人，一定能取得胜利，其原理咋一看和火炮如出一辙。但是，烟花没有获得突破变成火炮的原因，难度依然来自于无法高效的转换能量。
火炮的目的是大规模远程杀伤，所以需要用最小最轻便的炮弹获得最大的杀伤力，这不是制作烟花的那种火药可以促成的。 - 弓弩和枪
原理也是一样，但是能量依然来自于人力，畜力，靠人的臂力积累弹性势能，但是又能积累多少呢？于是造更大的弓箭，臂力拉不动了，就靠腿力，众人合力，甚至组合精巧的简单机械来玩，但是这种依然会遇到天花板。在物理，化学发展起来之前，很难想象谁能造出现代的撞针式自带发射药的子弹。
其实发射的原理很简单，远比古时复杂的弓弩简单得多。根源还是在于能源的高效供给。
为了给小小讲飞机怎么能上天，我决定自己做一个。这个事看似简单，实际操作起来还是比较复杂的。
我先是做了这个：
然后工程问题就出现了。
我还特意把机翼上缘做成了曲面，希望升力更大一些，然后为了减重，把硬纸板劈掉了一半。我觉得我买的超轻的螺旋桨和马达提供的动力可以把它带上天，然而问题出在了电池！
没有找到更轻的电池，那么就要增加机翼面积，然后找逆风的地方，可是这样一来，增重不说，逆风还会抵消马达的推力造成减速，减速的话，机翼便无法劈开更多的空气…！
根据升力原理自制飞机，试飞失败。
- 小马达动力带来的升力不足以抵消携带很重的电池盒的重力，起飞失败
- 吹风机从后吹，顺风抵消了微弱的升力，失败
- 靠臂力贴地前推，没装轮子，摩擦力大且不稳，跑道只有客厅的距离，失败
- 平抛，稳当的很，缓慢滑翔。
现在唯一的问题就是动力问题：
- 携带重电池盒起飞需要更大的机翼面积提供更强升力
- 更大的机翼面积需要更长的跑道，客厅够呛！
唉，失败了
然后主音吉他手建议买一个几块钱的橡皮筋飞机改装，我就买了：
依靠橡皮筋缠绕100圈所提供的动力，它确实可以平地跑着起飞，但是我依然希望能用一个马达将它带飞，一直飞到电池没电坠毁…但是依然遇到了电池太重的问题。就这么简单一个小玩意儿，看到动力的提供问题有多严重多难搞了吧。
不得不说，橡皮筋绕圈提供动力，这确实是一种Trick，但这种奇技淫巧只适合做玩具，其关键在于动力不可持续。拿类似这种奇技淫巧去波音，空客去面试，是拿不到offer的。
折一个纸飞机靠臂力抛掷上天飞天超级简单，但是做一个电池马达驱动的飞机让其跑着起飞却很难，这还在电池，马达都是现成的买好的成品的基础上，仅仅是拼装而已。
能量问题是工业的关键之关键
我们来看看喷气式发动机，这里面真的是绝妙的能量转换啊！
先从活塞式发动机说起，我们看一下它如何进化或者说优化成一个喷气式发送机。
简单画了一个图：
如果把汽车看成一个整体，那么其携带的发动机，曲轴，机械转换部件，轮胎之间的力都属于内力，不管怎么说，在外界看来，轮胎转起来了，那么地面摩擦力为了阻止其转动，必然要给其一个相反的力，这个力就是汽车前进的驱动力，属于外力！
这个力的来源就是活塞的运动，考虑到一个活塞发动机一个推动活塞需要吸气，压缩，燃烧等多个前置步骤，假设这些步骤每一个步骤耗时 t 0 t_0 t0，那么每获得一次推力需要 4 t 0 4t_0 4t0的时间，在这个 4 t 0 4t_0 4t0的时间内，获得的速度是 v 0 v_0 v0，假设这期间燃烧燃油获得能量为 E E E，那么根据冲量/动量原理，以及动量定理：
F × 4 × t 0 = m × v 0 F\times 4\times t_0 = m\times v_0 F×4×t0=m×v0
E = 1 2 × m × v 0 2 E= \dfrac{1}{2}\times m\times v_0^2 E=21×m×v02
很显然，自然而然能想到的就是再增加一个发动机连接在曲轴组上，两个发送机时刻都在不同的阶段，比如第一个发动机在压缩空气时，第二个发动机在释放能量…这样，简单的两缸发动机的原理我们就理解了，剩下的无非就是曲轴这些机械如何连接的机械问题了。
这是一个流水线作业。
两缸发动机自然在相等的时间内燃烧释放的能量就是 2 × E 2\times E 2×E了，联立上面的两个方程可以得到汽车的初始平均受力的加速比。
接下来就是各种叠加操作了，4缸，8缸，12缸，V型发动机都出来了，动力越来越猛。
但没有一种可以连续平稳的动力输出！随着气缸的增加，锯齿只是越来越细了而已，无非是剑齿虎的牙换成了鲨鱼的牙…弥补锯齿d的凹点是我们的目标。
如何获得连续的稳定输出？！
回头再看活塞发动机。活塞的运动促使车轮的转动，然而活塞的运动来自于气体的推动，何不省掉这些个中间环节，直接让气体推动汽车？
为什么可以这么做？因为人们在发现开水蒸汽能掀起锅盖之后，又发现了 动量守恒！ 假设质量为 m 0 m_0 m0的气体从静止开始喷射至速度 v 0 v_0 v0：
m 0 × v 0 = m 1 × v 1 m_0\times v_0 = m_1 \times v_1 m0×v0=m1×v1
那么质量 m 1 m_1 m1的物体将获得 v 1 v_1 v1的速度！
换一个角度看，这其实是想让一辆汽车 携带一个 n n n缸发动机，而 n n n趋向于无穷大！ 这样，每时每刻，输出功率都是一样的！考虑到此，既然每时每刻输出功率一致，那么就不需要机械装置了！
为什么单缸活塞发动机当初需要复杂的机械装置，其中的原因也来自于 机械装置提供了能量的暂存和转换，在能量不能连续释放的时候，它提供了平滑策略，它就像水库一样，是一个buffer，是能量的cache！让不连续的功率输出变成了连续稳定的车轮转动。
如果直接来让高压空气推动物体，只要进气是连续的，那么喷气也就是连续的，燃烧也是连续的。所以只要下面的装置即可：
哈哈，我再次发现了我优化iptables时看到nf-HiPAC时那帮的情景。请注意， 活塞发动机在一个单独装置内不同时间分时复用的四个步骤，只要转换一下方向，将其变成在不同装置内同一时间空间复用的四个步骤，就OK咯！
这就是喷气式发动机！
在活塞式发动机和喷气式发送机之间，我认为有一个鸡肋，那就是螺旋桨发动机。
其实，螺旋桨发动机是用活塞式发动机驱动螺旋桨旋转而不是车轮转动向后抛空气，多此一举啊，何不直接抛射空气呢？
喷气式发动机的原理要比活塞式发动机的原理更加简单，更加直接，省却了复杂的机械装置。让发动机变得更加轻便。有了这个基本的原理，后面就等着工程师们优化吧。
为了吸入更多的空气促进燃烧，反推力的一部分作用于一个涡轮，涡轮增压系统或者说风扇促进更多空气被吸入，形成一个负反馈。最终得以让发动机切换至 冲压模式 而到达自平衡，简直完美！
这既是技术代差！
当然，技术代差也是需求驱动的。当人们意识到在空气中没有陆地上的那么强大摩擦力可供利用时，自然就要用动量守恒来替代静摩擦力了，当然，无论如何，其背后都是牛顿第三定律！
背后没有科学理论和工程实践支撑，这些精巧玩意儿不是靠玩可以玩出来的。
我们都见过蜻蜓，我们在小学就知道蜻蜓悬停的原理，但是模仿一只蜻蜓你知道有多难吗？
所以，不要再说什么 中国在用XXX的时候，欧洲还在YYY ， 或者说 现代高科技AAA这种东西，中国在几千几百年前就有了！ … 技术代差不是YY能弥补的。
最后，说点别的。
蹴鞠，难道是足球的前身吗？远不是。现代足球并不仅仅是球员的形式化表演，更多的是规则，运营这些。蹴鞠和足球在形式上相同的仅仅局限在一堆人抢一个球，仅此而已。
现代影视娱乐，现代体育，其实并不是西方无中生有，了解西方历史的都知道，早在2000多年前的希腊罗马时代，地中海文明就在搞这些了，我们干嘛要去凑这热闹…我们应该发扬光大的是，地中海文明没有的东西！