本文發表於《大眾科學》的前部落格網路，反映了作者的觀點，不一定代表《大眾科學》的觀點
我們都曾被氣球深深吸引。小時候，我們常在馬戲團得到一個氣球，然後突然之間，我們就神奇地被一個玩具的能力所迷惑，它能做到非顯而易見且看似不可能的事情：漂浮在我們忽略且不注意的東西中，直到有東西“在其中”漂浮起來。
托里切利透過使用一個封閉的管子和一些水銀證明了真空的存在，我們現在稱之為氣壓計的裝置。他記錄了他的觀察結果：“Noi viviamo sommersi nel fondo d'un pelago d'aria”——我們生活在空氣的海洋底部。
支援科學新聞報道
如果您喜歡這篇文章，請考慮透過以下方式支援我們屢獲殊榮的新聞報道 訂閱。透過購買訂閱，您正在幫助確保有關塑造我們今天世界的發現和思想的具有影響力的故事的未來。
正常的孩子們發現了風箏，並將玩具氣球拋在腦後。他們學會利用棍子、紙、繩子和流動的空氣，使東西升空，無需尋找馬戲團的複雜性，也無需玩具氣球不可避免的失望，它很快就會失去活力，最終死氣沉沉地躺在地板上。令人高興的是，風箏提供了普遍的滿足感，即使在沒有風的情況下，只需奔跑也能讓它們飛起來。
除非你像我一樣是個怪人。在“酷”勁過後很久，我仍然喜歡氣球。為什麼？因為把一個紙杯放在我的氣球的繩子上，然後在杯子裡裝滿回形針，然後再裝訂書釘，直到它恰好漂浮在家庭房間的中央，這很有趣。但不用擔心；我同時玩氣球和風箏：氣球是偶爾的迷戀，風箏是可靠的樂趣——兩者都潛在地關注其執行的科學原理，並且總是問“為什麼？”
在西方文明的技術史上，氣球在1783年的最後六個月裡在巴黎被髮明瞭兩次。這些事件通常且不幸地被降級為腳註，並且充其量只能在大多數航空史書籍的早期章節中享有一席之地。甚至華盛頓特區的國家航空航天博物館也取消了專門展示人類首次成功飛入空中的房間，因為在博物館看來，這些顯然沒什麼意思。別忘了，巴黎那六個月發生的事件，本質上是20世紀“太空競賽”的微型先驅。
像交通技術中的大多數事物一樣，它始於我們今天所說的比例模型。這很快發展到第一批全尺寸載人機器。就像太空競賽一樣，也有兩個競爭者：在一個角落是約瑟夫-米歇爾和雅克-艾蒂安·蒙哥爾費兄弟（利潤豐厚的家族造紙企業的繼承人），在另一個角落是雅克·亞歷山大·塞薩爾·查爾斯教授，來自國立工藝學院。
蒙哥爾費兄弟很清楚——就像在他們之前的數千年甚至數萬年裡的大多數人一樣——煙霧從火中升起。他們錯誤地得出結論，認為煙霧中有一種特殊的氣體導致它上升。在沒有任何實驗證據證明其存在的情況下，他們自豪地將其命名為蒙哥爾費氣體，聲稱它含有一種他們稱之為輕性的特殊性質。
隨後，他們著手設計一種方法來容納它，當然，使用的是他們製造的產品：紙張。他們將紙張貼在用布製成的大袋子的內部；並且，為了進一步容納他們商標註冊的特殊秘密氣體，他們還竭盡全力確保他們用來填充氣袋的火是黑色的和煙燻的——更好地塗在紙張上並保持他們特殊的秘密氣體被容納。
另一方面，查爾斯教授已經知道氫氣比空氣輕，並且他知道如何生產氫氣。他研究過羅伯特·波義耳的工作，後者在一個多世紀前透過將金屬和酸混合在英國生產了氫氣。查爾斯也知道，如果他能找到一種方法使織物對氫氣不可滲透，他也可以製造氣球。但是，在哪裡能找到這樣的材料呢，不是嗎？就像所有優秀的科研科學家一樣——故事是這樣說的——他將這個問題提請了他的同事注意。這包括科學儀器製造商安妮-讓和瑪麗-諾埃爾·羅伯特兄弟。
羅伯特兄弟很快就為查爾斯的問題提出瞭解決方案。在驚人的短時間內，他們交付了一種塗有乳膠橡膠的不可滲透織物——他們開發這種工藝是作為他們秘密的、高科技的、黑市制造避孕套的一部分——在虔誠的18世紀天主教法國，避孕套在當時是非常非法的。
我懷疑，作為一名化學家，查爾斯可能知道蒙哥爾費兄弟和他們的氣球都是熱空氣，無論是比喻意義上還是字面意義上。作為一名化學家，他可能很清楚，普通火災中不會散發出具有“輕性”特性的特殊氣體。畢竟，查爾斯研究了溫度對空氣的影響，包括熱空氣趨於上升。因此，描述蒙哥爾費熱氣球能提升多少重量的科學原理被稱為查爾斯定律。
因此，僅僅在六個月內，氣球就從概念發展到原型；僅僅一年多之後，讓-皮埃爾·布蘭查德乘坐充氫氣球首次飛越英吉利海峽。
在1783年的同一六個月期間，一位年輕的法國陸軍工程兵中尉——一位名叫讓·巴蒂斯特·瑪麗·查爾斯·默尼耶·德·拉普拉斯的傢伙——立即認識到顯而易見的事情：拉長ballon（之所以這樣命名，是因為它類似於當時化學家使用的手吹玻璃曲頸瓶），以便減少它對運動的阻力；在氣球內部放置一個小氣袋或ballonet，以幫助它保持形狀；新增一個方向舵使其dirigable（可操縱）；並新增大直徑螺旋槳（就像風車一樣，但反過來），透過曲軸由氣球的船員轉動提供動力。
好主意，但不實用。花了砸西瓜的喜劇演員加拉格爾兩個世紀的時間，他招募了比爾·沃森和他的同事，最終在1984年製造了第一架人力驅動的飛艇“白矮星”。這當然是一次有趣的嘗試；但正如德國人所說，這只是nur für Spaß——只是為了好玩。
因此，默尼耶的飛艇不得不等待合適的發動機被開發出來。
1845年，一位名叫魯弗斯·波特的人創辦了一份名為《大眾科學》的週刊。四年後，在1849年，他提出了使用蒸汽機為可導航氣球提供動力的建議。這是一年之後，約翰·斯特林費洛建造了漢森提議的“空中蒸汽馬車”的工作模型，創造了歷史上第一架成功的動力原型飛機。
三年後，亨利·吉法德實現了魯弗斯·波特的建議。當然，吉法德的朋友們勸他不要做這種傻事。他們知道氫氣與喬治·斯蒂芬森等人設計的蒸汽機的煙囪中噴出的火花結合時可能帶來的危險。畢竟，皮拉特爾·德·羅齊爾建造了一個混合氣球，將火源熱空氣與氫氣結合起來，試圖在1785年穿越英吉利海峽，結果如預期：災難和死亡。然而，吉法德並沒有氣餒，他將細長的氣球、方向舵和螺旋槳結合在一起，由默尼耶渴望的蒸汽機驅動——實現了大約每小時三英里的速度，並且勉強從他在平靜的死水中起飛的地方返回。
快進到1898年。巴西僑民阿爾貝託·桑托斯-杜蒙，再次在巴黎，將他對摩托車賽車和氣球的熱愛結合起來，製造了他自己設計的ballon dirigable——第一架成功的由內燃機推進的飛機。僅僅一年多之後，他贏得了德意志獎，因為他駕駛飛機從巴黎航空俱樂部繞埃菲爾鐵塔飛行並在30分鐘內返回。順便說一句，因為他太忙於控制他的機器而無法檢視他的懷錶，所以他不知道他是否及時完成。他向他的朋友路易·卡地亞提到了這一點，因此，直到今天，卡地亞公司仍在銷售“桑托斯”腕錶——我上次檢視時，每隻售價僅為7000美元。在之後的二十多年裡，如果你想去遙遠的地方再回來，飛艇是首選。
但是飛艇被拋在了後面。為什麼？它們有一個致命弱點。不，不是天氣、氫氣或當時的材料——也不是什麼陰謀，也不是興登堡號上的一個帶著炸彈的船員毀了一切。像很多事情一樣，事實很簡單且科學，因此很無聊——除非你對簡單的科學事實感興趣。無論哪種方式，都是這樣：飛艇效率低下。
交通運輸的目的是將東西從一個地方運到另一個地方。衡量任何車輛效率的標準——無論是陸地、海洋甚至空中——是它承載多少貨物與你必須推動它多大力以及它行駛多快。歸根結底，我們都希望儘快到達那裡，而且我們都希望以低廉的價格到達那裡。
1950年，航空工程科學的奠基人之一西奧多·馮·卡門發表了一篇題為《速度的代價是什麼？車輛推進所需的單位功率》的論文。他的工作在基本原理上是如此永恆，以至於倫敦帝國理工學院機械工程系的成員最近將其更新為速度的代價是什麼——再議。《速度的代價是什麼？》中，馮·卡門表明，如果你將車輛的馬力除以它的重量和速度，你就可以看到該車輛與其他車輛相比的效率。馮·卡門使用了他考慮的車輛的總重量，因為當時他很容易獲得這些資訊。今天，我們可以更容易地更進一步，將車輛的馬力除以它所載貨物的重量和速度，以獲得更深入的瞭解。
以下圖表正是這樣做的，並且包括了一些關鍵交通工具的資料。馮·卡門的原始圖表以對數-對數比例繪製，包括效能趨勢與速度的關係。但讓我們保持簡單，以及工程師和科學家所說的“一階量級”分析，這是一種花哨的說法，意思是讓我們用一些簡單、粗略、易於計算的數字來檢查事物。在計算機無處不在之前——當您必須用鉛筆和紙以及計算尺手工完成工作時——人們就是這樣做的：獲得一些粗略的數字，看看一件事是比另一件事更好還是更差，並拋棄壞主意，而不會浪費寶貴的時間來計算無用的數字——更不用說真正建造它了。
因此，使用您今天可以透過網際網路輕鬆獲得的資訊，我繪製了一些例子：一艘集裝箱船、一列火車、一輛卡車、幾架飛機、幾艘老式飛艇，以及幾艘“現代”飛艇，這些飛艇在過去40年左右的時間裡每隔幾年就會登上新聞頭條，一次又一次。這些“新”飛艇現在被稱為“混合動力”，因為它們試圖用一些空氣動力升力來增強氣袋的升力——簡而言之，它們試圖同時成為氣球和飛機的一部分。別管查爾斯·P·伯吉斯在他1927年的著作飛艇設計的第10章“常見飛艇謬誤”中從簡單的工程原理正確論證說這過去是，現在仍然是，純粹的愚蠢行為。但別管他說什麼；我們自己來判斷如何？
如果你查閱每種車輛有多少動力，然後將其除以它可以承載的貨物和行駛速度，並將這些點放在圖表上，你就可以學到很多東西。例如，你可以看到，火車的效率大致與集裝箱船相當——但它行駛得更快。
例如，在沃巴什和伊利運河的北部支線上剩下的所有東西——建於19世紀初，長達460英里，是北美有史以來建造的最長的運河——現在只是印第安納州和俄亥俄州24號美國國道沿線的一條超大溝渠。運河的一段非常短的部分，帶有一個工作船閘和一艘運河船，已被重建為博物館，毗鄰俄亥俄州大急流城的路德維希磨坊。博物館非常有趣。然而，當有土地可以鋪設軌道時，充滿水的溝渠是愚蠢的——尤其是當運河的側面僅僅因為拖曳運河船而受到侵蝕時。這就是我們不使用運河的原因；我們使用公路和鐵路。
沿著24號美國國道，舊的沃巴什和伊利運河的纖道現在是一條公路。這是一個個人感興趣的點，因為我的姑姑和姑父艾拉和戴爾·迪克擁有一輛半掛車，該半掛車配備了我父親韋斯和他的團隊在1970年代設計的重型卡車車軸——達納公司的第一個。他們的卡車也被繪製在圖表上。你可以看到，以與火車大致相同的速度透過公路運輸貨物大約需要四倍的動力。因此，與火車和輪船相比，將貨物從這裡運到那裡需要更多的能量。但卡車比火車更靈活，因為你可以將它們送到公路可以到達的任何地方；這就是我們使用卡車將其運到那裡的原因：每英里可能花費更多，但我們可以透過更直接的路線將其運到那裡。
當然，還有貨運飛機。它們並不便宜；與卡車相比，你需要大約2.5到5倍的能量才能將其運到那裡，如果使用集裝箱船或火車，則需要大約10到20倍的能量；但是你可以比卡車和火車快大約10倍，比集裝箱船快20多倍將其運到那裡。因此，如果這是一個非常重要的最後一分鐘包裹，或者你想要一些像夏威夷新鮮菠蘿之類的東西，那麼這是值得的。
最後，我們有飛艇。有像興登堡號這樣的經典飛艇及其之前的同類小飛艇；還有“新”的所謂“混合動力飛艇”。這兩種型別的飛艇都不比卡車或火車快多少；而且與通常的空中運輸方式相比，它們都非常慢，速度大約只有貨運噴氣機的五分之一。在能源成本方面，像20世紀30年代飛行的那種大型經典飛艇僅比最有效率的貨運飛機略微便宜；同時，非常大的“混合動力”飛艇——請注意，使用的是其支持者公佈的效能資料——並不比747便宜，更不用說像老式飛艇那樣便宜了。再次強調，在能源方面，火車、卡車和貨船要便宜得多。
冒著指出你可能已經注意到的事情的風險，難道不令人著迷嗎，即擬議的（但從未建造，更不用說投入使用的）高科技“混合動力”飛艇並不比20世紀20年代和30年代飛行的真正飛艇快多少？難道不奇怪嗎，與這些新奇的裝置相比，老式飛艇也是一種更便宜的運輸方式？
但事實證明，它們根本不是什麼新奇的東西。1977年《世界圖書百科全書科學年鑑》第190至199頁自豪地宣佈“飛艇捲土重來”。當時和之前多年宣傳的想法，作為我們即將到來的未來的一部分——請注意，這已經是四十年前的事情了——包括以下這些： “氦馬”貨運飛艇。“三角”和飛碟形飛艇。帶有四個懸掛在下方的直升機的飛艇（最終以皮亞塞茨基直升機災難告終）。用於運輸氣態天然氣的飛艇（你能說興登堡號嗎？）。由三兆瓦核反應堆提供動力的飛艇（現在你能說興登堡號嗎？）。甚至還有一種“橢圓形混合動力飛艇，它像一個兩端圓潤的略微拉長的橄欖球”，被譽為波音公司的最新和最偉大的成果——充其量是對再次被重新炒作的所有事情的拙劣描述。
當然，飛艇運輸的支持者也提出了通常的論點：“這將消除道路建設”或“你無法在那裡修路”。當然，有些地方道路一年中的一部分時間無法通行；所以我們在道路可以通行的時候進行運輸。道路幾乎可以在任何地方修建，儘管有人說修建道路太難了；因此，有了阿拉斯加公路。
在我的一生中，我“近距離且親身地”目睹了大約50億美元的當今美元被花費在追求飛艇運輸上。50億美元可以修建很多公路和鋪設很多軌道；與此同時，這些飛艇專案的唯一有形證據是一大堆無用的文書工作——其中大部分最終都進了當地的垃圾填埋場，只是在比喻意義上被回收利用。
自第二次世界大戰結束以來，“飛艇復興”一直指日可待。一直存在著迫在眉睫的“氦氣陰雲”，天空中擠滿了飛艇，以至於會遮蔽陽光。但唯一真正的產品——如果可以稱之為產品的話——一直是就業：僱用了一群工程師，他們只是不理解馮·卡門在《速度的代價是什麼？》中雄辯而深刻地提出的簡單、基本和直截了當的工程科學。
西奧多·馮·卡門是第一個注意到，透過對任何和所有形式的交通工具應用理性思考和分析，對於你想以多便宜的價格到達那裡，你可以達到的速度存在有效的現實限制——因此馮·卡門-加布裡埃利極限在實踐中僅被硬鋼輪在硬鋼軌上滾動的效率所超越。馮·卡門會如何看待他雄辯而富有洞察力的資訊落在了今天的聾啞人身上？
在馬戲團裡，最好的表演佔據中心舞臺。那些知情人士明白，飛艇作為我們交通基礎設施的一部分，只是一個老舊的節目，由於非常好的理由而被降級到副舞臺。
因此，我為那些被騙離中心舞臺，把所有錢都花在騙子身上的投資者和股東感到遺憾；但這種遺憾只相當於對那些被欺騙和詐騙的人的感受。
正如羅馬人常說的那樣，“買者自慎。”
關於作者：約瑟夫·A·迪克是一位獨立的設計和系統工程顧問，也是Robson Forensic, Inc. (http://www.robsonforensic.com/) 的航空航天和汽車系統專家
所表達的觀點是作者的觀點，不一定代表《大眾科學》的觀點。