我们很容易把飞行物理学视为理所当然，也很容易把我们利用它们来实现飞行的方式视为理所当然。我们常常瞥见天空中有一架飞机，但对其中原理的了解并不多。这些笨重的机器是如何升空的？要回答这个问题，我们必须进入流体力学的世界。
物理学家根据液体和气体的流动方式将它们归类为流体。尽管空气、水和糖浆看起来可能是非常不同的物质，但它们都符合同一套数学关系。事实上，基本的空气动力测试有时是在水下进行的。即使是晴朗的天空也不是空的。我们的大气层是一个巨大的流体层，正确的物理学应用使人类能够穿越它。
在本文中，我们将介绍航空的基本原理以及在任何特定飞行中起作用的各种力量。
推力和阻力扔一块石头到海里，它就会沉到深处。从山的一侧扔下一块石头，它也会垂直下落。当然，钢船可以漂浮，甚至非常重的飞机也可以飞行，但要实现飞行，你必须利用四种基本的空气动力：升力、重力、推力和阻力。你可以把它们想象成在空中支撑飞机的四只手，每只手从不同的方向推动飞机。
首先，我们来看看推力和阻力。无论是由螺旋桨还是喷气发动机产生的推力，都是推动飞机在天空中前进的空气动力。相反的空气动力是阻力，或者是阻碍物体在流体中运动的摩擦力。
如果你在移动时把手伸出车窗外，你会体验到一个非常简单的阻力演示。你的手产生的阻力取决于几个因素，比如你的手的大小，汽车的速度和空气的密度。如果你放慢速度，你会注意到你手上的阻力会减小。
当我们在奥运会上看到速降滑雪运动员时，我们看到了一个减阻的例子。只要有机会，他们就会紧紧地蜷成一团。通过使自己“变小”，他们减少了自己产生的阻力，这使得他们能更快地从山上滑下来。
一架客机起飞后总是出于同样的原因缩回起落架：以减少阻力。喷气式飞机的起落架产生的阻力是如此之大，以至于在巡航速度下，起落架会被扯下飞机。为了进行飞行，推力必须等于或大于阻力。如果由于某种原因，飞机的阻力大于推力，飞机就会减速。如果推力大于阻力，飞机就会加速。
重量和升力地球上的每一个物体都有重量，是重力加速度和质量的乘积。例如，一架波音747-8客机最大起飞重量大约为440吨，也就是飞机被牵引向地球的力的表征。
重量的反作用力是升力，它使飞机保持在空中。这个壮举是通过使用机翼来完成的。和阻力一样，升力只能存在于流动的流体中：不管物体是静止的，流体是流动的，还是流体是静止的，物体在流体中运动。真正重要的是物体和流体之间速度的相对差异。
至于实际的升力机制，当运动的流体被固体物体偏转时，就会产生力。机翼将气流分成两个方向：机翼上方和机翼下方。机翼的形状和倾斜使得在其上方移动的空气比在其下方移动的空气传播得更快。当移动的空气流过一个物体并遇到障碍物时它的路径变窄，气流加速。一旦越过障碍物，道路就会变宽，气流又会减慢。如果你曾经捏过水管，你就已经在实践中遵守了这个原则。通过捏紧软管，可以缩小流体流动的路径，从而加快速度。
当空气加速时，它的压力下降。所以快速移动的空气在机翼上方对机翼施加的压力比在机翼下方较慢的空气施加的压力要小，结果是产生向上的升力。在流体动力学领域，这被称为伯努利原理。
机翼、缝翼和襟翼在介绍了飞行的基本物理和飞机使用它们飞行的方式之后，下一个显而易见的步骤是考虑导航。飞机如何在空中转弯？它是如何上升到更高的高度的？
首先，让我们考虑迎角，即机翼(或翼型)对迎面而来的空气的角度。迎角越大，升力越大。角度越小，升力越小。典型的机翼必须呈现负迎角（向前倾斜）才能实现零升力。这种机翼定位也会产生更多的阻力，这需要更大的推力。
一般来说，大多数飞机的机翼设计为在飞机巡航模式下提供适当的升力(以及最小的阻力)。然而，当这些飞机起飞或降落时，它们的速度可以降低到低于200英里每小时。机翼工作条件的这种戏剧性变化意味着不同的机翼形状可能更好地为飞机服务。翼型形状因飞机而异，但飞行员通过襟翼和缝翼进一步实时改变翼型形状。
在起飞和着陆过程中，襟翼从机翼后缘向下延伸。这有效地改变了机翼的形状，使其能够转移更多的空气，从而产生更多的升力。这种改变也会增加阻力，这有助于着陆飞机减速。缝翼的功能与襟翼相同，但它们连接在机翼的前部而不是后部。飞行员也会在起飞和降落时部署它们。
安定面、副翼、方向舵舵和升降舵飞机尾部有两种小型机翼，称为水平和垂直安定面。在水平安定面上有称为升降舵的东西，因为它们能使飞机在空中上下飞行。与此同时，垂直安定面后有一个被称为方向舵的东西。就像在船上的航海装置一样，这个关键部件使飞机能够向左或向右转弯。
最后，我们来看副翼，它是位于飞机机翼末端的水平板。这些板使一个机翼比另一个机翼产生更大的升力，从而产生一个滚转运动，使飞机向左或向右倾斜。副翼的工作方向通常是相反的。当右副翼向上偏转时，左副翼向下偏转，反之亦然。一些更大的飞机，如客机，也通过从机翼顶部中心升起的可展开的扰流板来实现这种机动。
飞机运动与主轴飞机有一个重心，把这个重心想象成机身中间的一个固定点。接下来，想象一条看不见的水平线穿过飞机的机头、重心和机尾。我们称之为滚动轴或纵轴。通过调整飞机的副翼，飞行员可以使一个机翼的升力增加，另一个机翼的升力减少。这会导致飞机的机身沿着其纵轴旋转，从而产生一种称为滚转的动作。然而，当飞行员仅仅滚动到足以倾斜机翼的角度时，飞机就会转弯。
现在想象一下，一条看不见的垂直线穿过重心，从飞机顶部向下穿过腹部。这被称为偏航轴或竖轴(立轴)。当飞行员操纵飞机的方向舵时，它就会起作用。方向舵的偏转产生侧向力，使机尾向一个方向旋转，机头向另一个方向旋转。这被称为偏航运动，它帮助飞行员保持航向。
最后，想象一条看不见的水平线穿过飞机重心的两侧，大致与机翼平行，这被称为俯仰轴或横轴，由于升降舵的变化，俯仰运动是必需的。当尾巴向下倾斜时，鼻子上升，飞机上升，反之亦然。
飞行仪表在未经训练的人看来，一组飞行仪器看起来像是一个由表盘组成的大杂烩。但所有这些关键的仪表在飞行过程中为飞行员提供关键数据。在一架简单的螺旋桨驱动飞机上发现的六种最基本的飞行仪器如下。
空速指示器：基本上，这个指示器告诉飞行员飞机相对于空气的速度。这个指示器依赖于差压计，分别测量空气的全压和静压。
高度表：顾名思义，高度表测量高度。在这种情况下，指示器是一个气压表，用来测量空气压力。
姿态指示器：还记得我们之前提到的三个主要主轴（俯仰、偏航和横滚）吗？一个姿态指示器显示了飞机在这三个方向上的方位。通过使用陀螺仪，即使在失去方向感的飞行条件下，指示器也能提供空间方向。
航向指示器：航向指示器只是告诉飞行员飞机的航向。然而，该装置同时依赖于陀螺仪和磁罗盘，因为两者在飞行过程中容易受到不同误差的影响。
转弯协调器：典型的转弯协调器指示飞机的偏航或横滚速度，同时也指示飞机的倾斜角度和偏航速度之间的协调速度。这个装置依靠一个陀螺仪和一个装在玻璃缸里的测斜球来指示。
升降速度表：也被称为垂直速度指示器，这个装置指示飞机爬升或下降的速度。在与高度表类似的线路上工作时，它依靠大气压力读数来确定高度变化的速度。
这些年来，随着飞机的速度、高度、航程和总体复杂程度的提高，飞行仪表的总数也在增加。
推进方式就推动飞机在空中飞行而言，不同的设计取决于提供推力的不同推进方式。然而，大多数方法都遵循同样的基本原理：发动机使气体加速。让我们看看几个不同的发动机。
螺旋桨发动机：在典型的推进系统中，发动机将燃料与空气混合，燃烧燃料以释放能量。由此产生的加热气体移动与曲轴相连的活塞。这会螺旋桨旋转，而螺旋桨实质上是一系列旋转的机翼。由于螺旋桨通过空气的速度在靠近轮毂的地方较慢，所以它向中心的角度更大。许多较大的螺旋桨驱动的飞机都有可调螺距的螺旋桨。这些机制让飞行员根据风速和高度调整螺旋桨的攻角。
火箭发动机：当螺旋桨发动机使用周围的空气作为其推进的工作流体时，火箭所需要的只是自身燃烧废气的推力。这就是为什么火箭能在太空中提供推力，而螺旋桨却不能。火箭发动机把燃料和一种叫做氧化剂的内部氧源结合起来。氧气和燃料在燃烧室中点燃，产生高温高压的气体。这些气体通过喷嘴产生推力。
燃气涡轮发动机：也被称为喷气发动机，这种推进方式的工作原理很像火箭发动机，只是它从周围大气获得必要的空气。因此，喷气发动机也不能在太空中工作。许多不同类型的燃气涡轮发动机，如大多数客机上的涡轮发动机，通过风扇式旋转压缩机收集必要的空气。然而冲压发动机并不使用压缩机，飞机的速度自然压缩了燃烧所需的空气。
飞机的最低飞行速度取决于飞机的设计。另一方面，最大空速在很大程度上受到技术的限制。
我们用声速作为测量飞机速度的最终标尺，确切的声速取决于它所经过的气体介质的弹性和密度，意味着改变空气压力和空气温度会改变声速。在0摄氏度时，空气中的声速是每秒331米。如果把温度提高到20摄氏度，速度就会上升到每秒343米。
不管介质的细节如何，我们都把声速称为1马赫，它是以物理学家恩斯特·马赫的名字命名的。如果一架飞机达到音速，它的速度是1马赫。如果飞机达到声速的两倍，它的速度是2马赫。
低于1马赫的飞机速度被认为是亚音速，而那些非常接近1马赫的飞机速度被认为是跨音速。超过音速的速度分为超音速和高超音速(5到10马赫)。超过10马赫的速度被认为是超高音速。
如果你听过超音速飞机飞过头顶，那么你可能听到过音爆。一旦飞机达到1马赫，飞机发出的声波就不能在它前面。相反，这些波聚集在飞机后面的一个声锥中。当这个圆锥体从头顶经过时，你会立刻听到所有累积的声音。
加压机舱气压的变化取决于海拔高度，空气压力会随着你在大气中的上升而降低。当人类呼吸稀薄的高海拔空气时，他们很难吸入足够的氧气。当我们在海拔超过3000米的地方闲逛时，我们的身体就会变得容易患上许多不愉快的甚至是致命的疾病。
加压机舱使飞行员、机组人员和乘客能够避免高空飞行的这些陷阱。飞机爬升得越高，机舱外的空气就越稀薄，而机舱内的压缩空气则能保持较高的地面气压和富氧空气。在机舱压力意外损失的情况下，紧急氧气面罩提供必要的空气质量。
起落架我们已经讨论了飞机飞行所必需的部件，但是就像鸟最终需要伸展它的腿一样，飞机也需要某种形式的起落架，一个能够在地面支撑飞机重量的结构。
当你想到起落架的时候，你可能会想到轮式起落架。一些早期的起落架类似于自行车轮子，而较大的飞机通常采用小车式起落架，每一个支架上有四个或更多的轮子。在20世纪50年代，美国空军甚至为巨大飞机试验了坦克履带式起落架。
起落架的布置方式有很多，两种比较常用的分别是前三点式和后三点式起落架。后三点式有两个前支点和一个后支点，通常在老式飞机中比较常见。前三点式则相反，有两个后支点和一个前支点，大多数现代飞机使用前三点式。
许多现代飞机的特点是可伸缩的起落架，在飞行时可以拉入机身，但也有一些飞机的特点是固定的起落架。
