我們很容易把飛行物理學視為理所當然，也很容易把我們利用它們來實現飛行的方式視為理所當然。我們常常瞥見天空中有一架飛機，但對其中原理的了解並不多。這些笨重的機器是如何升空的？要回答這個問題，我們必須進入流體力學的世界。
物理學家根據液體和氣體的流動方式將它們歸類為流體。儘管空氣、水和糖漿看起來可能是非常不同的物質，但它們都符合同一套數學關係。事實上，基本的空氣動力測試有時是在水下進行的。即使是晴朗的天空也不是空的。我們的大氣層是一個巨大的流體層，正確的物理學應用使人類能夠穿越它。
在本文中，我們將介紹航空的基本原理以及在任何特定飛行中起作用的各種力量。
推力和阻力
扔一塊石頭到海裡，它就會沉到深處。從山的一側扔下一塊石頭，它也會垂直下落。當然，鋼船可以漂浮，甚至非常重的飛機也可以飛行，但要實現飛行，你必須利用四種基本的空氣動力：升力、重力、推力和阻力。你可以把它們想像成在空中支撐飛機的四隻手，每隻手從不同的方向推動飛機。
首先，我們來看看推力和阻力。無論是由螺旋槳還是噴氣發動機產生的推力，都是推動飛機在天空中前進的空氣動力。相反的空氣動力是阻力，或者是阻礙物體在流體中運動的摩擦力。
如果你在移動時把手伸出車窗外，你會體驗到一個非常簡單的阻力演示。你的手產生的阻力取決於幾個因素，比如你的手的大小，汽車的速度和空氣的密度。如果你放慢速度，你會注意到你手上的阻力會減小。
當我們在奧運會上看到速降滑雪運動員時，我們看到了一個減阻的例子。只要有機會，他們就會緊緊地蜷成一團。通過使自己「變小」，他們減少了自己產生的阻力，這使得他們能更快地從山上滑下來。
一架客機起飛後總是出於同樣的原因縮回起落架：以減少阻力。噴氣式飛機的起落架產生的阻力是如此之大，以至於在巡航速度下，起落架會被扯下飛機。為了進行飛行，推力必須等於或大於阻力。如果由於某種原因，飛機的阻力大於推力，飛機就會減速。如果推力大於阻力，飛機就會加速。
重量和升力
地球上的每一個物體都有重量，是重力加速度和質量的乘積。例如，一架波音747-8客機最大起飛重量大約為440噸，也就是飛機被牽引向地球的力的表徵。
重量的反作用力是升力，它使飛機保持在空中。這個壯舉是通過使用機翼來完成的。和阻力一樣，升力只能存在於流動的流體中：不管物體是靜止的，流體是流動的，還是流體是靜止的，物體在流體中運動。真正重要的是物體和流體之間速度的相對差異。
至於實際的升力機制，當運動的流體被固體物體偏轉時，就會產生力。機翼將氣流分成兩個方向：機翼上方和機翼下方。機翼的形狀和傾斜使得在其上方移動的空氣比在其下方移動的空氣傳播得更快。當移動的空氣流過一個物體並遇到障礙物時它的路徑變窄，氣流加速。一旦越過障礙物，道路就會變寬，氣流又會減慢。如果你曾經捏過水管，你就已經在實踐中遵守了這個原則。通過捏緊軟管，可以縮小流體流動的路徑，從而加快速度。
當空氣加速時，它的壓力下降。所以快速移動的空氣在機翼上方對機翼施加的壓力比在機翼下方較慢的空氣施加的壓力要小，結果是產生向上的升力。在流體動力學領域，這被稱為伯努利原理。
機翼、縫翼和襟翼
在介紹了飛行的基本物理和飛機使用它們飛行的方式之後，下一個顯而易見的步驟是考慮導航。飛機如何在空中轉彎？它是如何上升到更高的高度的？
首先，讓我們考慮迎角，即機翼(或翼型)對迎面而來的空氣的角度。迎角越大，升力越大。角度越小，升力越小。典型的機翼必須呈現負迎角（向前傾斜）才能實現零升力。這種機翼定位也會產生更多的阻力，這需要更大的推力。
一般來說，大多數飛機的機翼設計為在飛機巡航模式下提供適當的升力(以及最小的阻力)。然而，當這些飛機起飛或降落時，它們的速度可以降低到低於200英裡每小時。機翼工作條件的這種戲劇性變化意味著不同的機翼形狀可能更好地為飛機服務。翼型形狀因飛機而異，但飛行員通過襟翼和縫翼進一步實時改變翼型形狀。
在起飛和著陸過程中，襟翼從機翼後緣向下延伸。這有效地改變了機翼的形狀，使其能夠轉移更多的空氣，從而產生更多的升力。這種改變也會增加阻力，這有助於著陸飛機減速。縫翼的功能與襟翼相同，但它們連接在機翼的前部而不是後部。飛行員也會在起飛和降落時部署它們。
安定面、副翼、方向舵舵和升降舵
飛機尾部有兩種小型機翼，稱為水平和垂直安定面。在水平安定面上有稱為升降舵的東西，因為它們能使飛機在空中上下飛行。與此同時，垂直安定面後有一個被稱為方向舵的東西。就像在船上的航海裝置一樣，這個關鍵部件使飛機能夠向左或向右轉彎。
最後，我們來看副翼，它是位於飛機機翼末端的水平板。這些板使一個機翼比另一個機翼產生更大的升力，從而產生一個滾轉運動，使飛機向左或向右傾斜。副翼的工作方向通常是相反的。當右副翼向上偏轉時，左副翼向下偏轉，反之亦然。一些更大的飛機，如客機，也通過從機翼頂部中心升起的可展開的擾流板來實現這種機動。
飛機運動與主軸
飛機有一個重心，把這個重心想像成機身中間的一個固定點。接下來，想像一條看不見的水平線穿過飛機的機頭、重心和機尾。我們稱之為滾動軸或縱軸。通過調整飛機的副翼，飛行員可以使一個機翼的升力增加，另一個機翼的升力減少。這會導致飛機的機身沿著其縱軸旋轉，從而產生一種稱為滾轉的動作。然而，當飛行員僅僅滾動到足以傾斜機翼的角度時，飛機就會轉彎。
現在想像一下，一條看不見的垂直線穿過重心，從飛機頂部向下穿過腹部。這被稱為偏航軸或豎軸(立軸)。當飛行員操縱飛機的方向舵時，它就會起作用。方向舵的偏轉產生側向力，使機尾向一個方向旋轉，機頭向另一個方向旋轉。這被稱為偏航運動，它幫助飛行員保持航向。
最後，想像一條看不見的水平線穿過飛機重心的兩側，大致與機翼平行，這被稱為俯仰軸或橫軸，由於升降舵的變化，俯仰運動是必需的。當尾巴向下傾斜時，鼻子上升，飛機上升，反之亦然。
飛行儀表
在未經訓練的人看來，一組飛行儀器看起來像是一個由錶盤組成的大雜燴。但所有這些關鍵的儀表在飛行過程中為飛行員提供關鍵數據。在一架簡單的螺旋槳驅動飛機上發現的六種最基本的飛行儀器如下。
空速指示器：基本上，這個指示器告訴飛行員飛機相對於空氣的速度。這個指示器依賴於差壓計，分別測量空氣的全壓和靜壓。
高度表：顧名思義，高度表測量高度。在這種情況下，指示器是一個氣壓表，用來測量空氣壓力。
姿態指示器：還記得我們之前提到的三個主要主軸（俯仰、偏航和橫滾）嗎？一個姿態指示器顯示了飛機在這三個方向上的方位。通過使用陀螺儀，即使在失去方向感的飛行條件下，指示器也能提供空間方向。
航向指示器：航向指示器只是告訴飛行員飛機的航向。然而，該裝置同時依賴於陀螺儀和磁羅盤，因為兩者在飛行過程中容易受到不同誤差的影響。
轉彎協調器：典型的轉彎協調器指示飛機的偏航或橫滾速度，同時也指示飛機的傾斜角度和偏航速度之間的協調速度。這個裝置依靠一個陀螺儀和一個裝在玻璃缸裡的測斜球來指示。
升降速度表：也被稱為垂直速度指示器，這個裝置指示飛機爬升或下降的速度。在與高度表類似的線路上工作時，它依靠大氣壓力讀數來確定高度變化的速度。
這些年來，隨著飛機的速度、高度、航程和總體複雜程度的提高，飛行儀表的總數也在增加。
推進方式
就推動飛機在空中飛行而言，不同的設計取決於提供推力的不同推進方式。然而，大多數方法都遵循同樣的基本原理：發動機使氣體加速。讓我們看看幾個不同的發動機。
螺旋槳發動機：在典型的推進系統中，發動機將燃料與空氣混合，燃燒燃料以釋放能量。由此產生的加熱氣體移動與曲軸相連的活塞。這會螺旋槳旋轉，而螺旋槳實質上是一系列旋轉的機翼。由於螺旋槳通過空氣的速度在靠近輪轂的地方較慢，所以它向中心的角度更大。許多較大的螺旋槳驅動的飛機都有可調螺距的螺旋槳。這些機制讓飛行員根據風速和高度調整螺旋槳的攻角。
火箭發動機：當螺旋槳發動機使用周圍的空氣作為其推進的工作流體時，火箭所需要的只是自身燃燒廢氣的推力。這就是為什麼火箭能在太空中提供推力，而螺旋槳卻不能。火箭發動機把燃料和一種叫做氧化劑的內部氧源結合起來。氧氣和燃料在燃燒室中點燃，產生高溫高壓的氣體。這些氣體通過噴嘴產生推力。
燃氣渦輪發動機：也被稱為噴氣發動機，這種推進方式的工作原理很像火箭發動機，只是它從周圍大氣獲得必要的空氣。因此，噴氣發動機也不能在太空中工作。許多不同類型的燃氣渦輪發動機，如大多數客機上的渦輪發動機，通過風扇式旋轉壓縮機收集必要的空氣。然而衝壓發動機並不使用壓縮機，飛機的速度自然壓縮了燃燒所需的空氣。
飛機的速度
飛機的最低飛行速度取決於飛機的設計。另一方面，最大空速在很大程度上受到技術的限制。
我們用聲速作為測量飛機速度的最終標尺，確切的聲速取決於它所經過的氣體介質的彈性和密度，意味著改變空氣壓力和空氣溫度會改變聲速。在0攝氏度時，空氣中的聲速是每秒331米。如果把溫度提高到20攝氏度，速度就會上升到每秒343米。
不管介質的細節如何，我們都把聲速稱為1馬赫，它是以物理學家恩斯特·馬赫的名字命名的。如果一架飛機達到音速，它的速度是1馬赫。如果飛機達到聲速的兩倍，它的速度是2馬赫。
低於1馬赫的飛機速度被認為是亞音速，而那些非常接近1馬赫的飛機速度被認為是跨音速。超過音速的速度分為超音速和高超音速(5到10馬赫)。超過10馬赫的速度被認為是超高音速。
如果你聽過超音速飛機飛過頭頂，那麼你可能聽到過音爆。一旦飛機達到1馬赫，飛機發出的聲波就不能在它前面。相反，這些波聚集在飛機後面的一個聲錐中。當這個圓錐體從頭頂經過時，你會立刻聽到所有累積的聲音。
加壓機艙
氣壓的變化取決於海拔高度，空氣壓力會隨著你在大氣中的上升而降低。當人類呼吸稀薄的高海拔空氣時，他們很難吸入足夠的氧氣。當我們在海拔超過3000米的地方閒逛時，我們的身體就會變得容易患上許多不愉快的甚至是致命的疾病。
加壓機艙使飛行員、機組人員和乘客能夠避免高空飛行的這些陷阱。飛機爬升得越高，機艙外的空氣就越稀薄，而機艙內的壓縮空氣則能保持較高的地面氣壓和富氧空氣。在機艙壓力意外損失的情況下，緊急氧氣面罩提供必要的空氣品質。
起落架
我們已經討論了飛機飛行所必需的部件，但是就像鳥最終需要伸展它的腿一樣，飛機也需要某種形式的起落架，一個能夠在地面支撐飛機重量的結構。
當你想到起落架的時候，你可能會想到輪式起落架。一些早期的起落架類似於自行車輪子，而較大的飛機通常採用小車式起落架，每一個支架上有四個或更多的輪子。在20世紀50年代，美國空軍甚至為巨大飛機試驗了坦克履帶式起落架。
起落架的布置方式有很多，兩種比較常用的分別是前三點式和後三點式起落架。後三點式有兩個前支點和一個後支點，通常在老式飛機中比較常見。前三點式則相反，有兩個後支點和一個前支點，大多數現代飛機使用前三點式。
許多現代飛機的特點是可伸縮的起落架，在飛行時可以拉入機身，但也有一些飛機的特點是固定的起落架。