編者按：對於一項新科技，圍觀總是多於實幹，無人機也不例外。但隨著無人機成本的降低，相當一批人開始入手，並應用到旅遊、直播、救災等場景中。無人機進入消費領域。本文作者Rhett Allain是路易斯安納大學的物理學教授，他在「How Do Drones Fly? Physics, of Course!」一文中分享了一些關於無人機飛行的物理原理，從而使我們能夠更好地理解無人機。
無人機的發展正處於風口，市場價格也不是很貴。我擁有一架，並用它來拍我的狗和其他一些東西。在下文，我要談到的是帶有四個旋翼的遙控型無人機，而不是科學家用來研究氣候變化且價格昂貴的大型無人機。
相比大型無人機，小型無人機操作起來很是方便。熟練的操作者可以使其往任意方向飛行，從而更好地滿足拍攝需要。那麼，無人機的飛行原理是什麼？
垂直運動無人機利用旋翼實現前進和停止。力的相對性意味著旋翼推動空氣時，空氣也會反向推動旋翼。這是無人機能夠上上下下的基本原理。進而，旋翼旋轉地越快，升力就越大，反之亦然。
現在的無人機能夠做三件事情：懸停、爬升和降低。當懸停時，無人機四個旋翼產生的推力等於向下的重力。這非常容易理解。那麼如何實現爬升？增加四個旋翼的推力從而產生一個大於重力的向上的力。在該動作完成之後，無人機的推力可以相對減少，但為了使其繼續向上飛行，那麼仍必須保證向上的力要大於向下的力。使無人機降低的要求則相反：需要減少旋翼的推力速度，此時合力向下。
旋轉如何使一個正在朝北飛的無人機掉頭向南飛？此時旋翼的運動原理又是什麼？
如圖所示，紅色的旋翼呈逆時針旋轉，綠色的旋翼呈順時針旋轉。當這兩組旋翼向相反方向旋轉時，無人機的總動力為零。角動力值與線性動力值很像，可以用角速度乘慣性矩計算得出。可以說，角動力取決於旋翼旋轉的速度。
假設紅色旋翼有一個值為正的角動量，而綠色旋翼有一個值為負的角動量，每個旋翼的值分為+2、+2、-2、-2，那麼此時所有的力加起來為零。無人機即能實現懸停。
而要使無人機向右轉，則需要降低旋翼1的角速度。但是，雖然來自旋翼1的推力缺失能使無人機改變運動方向，但與此同時向上的力不等於向下的重力，所以無人機會下降。那麼，如何使無人機在改變方向時保持高度不變？
降低旋翼1和3旋轉速度的同時，增加旋翼2和4的旋轉速度。此時旋翼的角動力仍然不為零，所以無人機能夠旋轉。而總力仍然等於重力，則無人機能夠保持在同一高度。由於向同一方向旋轉的旋翼角為對角，所以無人機仍然可以保持平衡。
向前飛行和側向飛行無人機向前和向後的運動原理有什麼區別？其實沒有，因為無人機是對稱的。這同樣適用於側向運動。一架四輪無人機就像一輛每一面都可作為正面的車，所以了如何向前也就解釋了如何向後或向兩側移動的問題。
那麼具體該如何操作？
增加旋翼3和4的旋轉速率，降低旋翼1和2 的速率。此時，總推力與重量相等，因此無人機能夠保持高度不變。此外，由於一個位於後方的旋翼是逆時針旋轉，而另一個為順時針旋轉，所以增加的旋轉力仍然會為零，前方的旋翼情況相同。所以整體上無人機的方向不會改變。然而，無人機後部旋翼所增加的力會使其向前傾斜，因此應該稍微增加所有旋翼的推力從而產生一個淨推力，其中的一個分力可以用來平衡重量和向前運動的力。
學會使用計算機系統操作無人機的每個動作都是通過改變一個或多個旋翼的轉速完成，為了用一個控制器控制全部旋翼要善用某種計算機控制系統。此外，無人機的加速器和陀螺儀可以對每個旋翼進行微調，從而進一步提高飛行的簡易性和穩定性。所以如果讓計算機系統完成所有的工作，那麼操縱無人機則相當容易。
理解無人機的飛行原理是不是很有趣？
編譯組出品。編輯：郝鵬程