當你坐在飛機上時，腦海裡可能會冒出這樣一個疑惑：飛機窗戶為什麼總是圓形的？這是由航空公司所做出的設計選擇嗎？亦或它的背後有著一些科學原因？其實，答案非常簡單，但背後的工程卻十分炫酷。

首先，它們並不總是圓的。在航空業初期，飛機窗戶是矩形的，就像你家裡那些窗戶一樣。然而，隨著飛機變得越來越先進，人們讓它們飛得越來越高，以避免低層大氣的氣流顛簸、降低阻力、減少燃油消耗。因此，客艙必須密封加壓，使乘客們能夠在稀薄大氣中保持舒適。

為了正常運作，密封加壓的客艙必須是圓筒形的，而圓筒形會反過來製造內外空氣的壓力差；飛機飛得越高，壓力差就越大。機體微微有點擴張，機身材料會受到一定壓力作用、產生變形——此時，飛機窗戶的形狀便十分重要。

在一個完美圓筒上，壓力會柔緩地穿過材料，但它會被窗戶所幹擾。如果窗戶是矩形的，那麼它對壓力流的干擾作用將更為顯著，而且壓力會堆積在尖銳的角上——這有可能造成玻璃的破碎、機身的破裂。但如果窗戶是橢圓形的，那麼壓力的分佈將會更為均衡。

不幸的是，直到兩架飛機墜毀之後，工程師們才明白問題出現在方形窗戶上。此後，所有航天器的窗戶都被設計為圓形，用以保護機身的完整性。同樣的原則也被應用在貨船和艙室門上。當然了，船和航天器的窗戶之所以是圓形，還因為它們有著更好的結構完整性。

你可能還對飛機窗戶上的那個“通氣孔”心存疑惑。同樣的，它和內外壓力差所造成的壓力及張力管理有關。實際上，每個窗戶都有三層結構，而那個孔能夠平衡外層和中層玻璃之間的空氣。因此，只有外層窗戶承受著機艙壓力，而中間那層則是用於緊急狀況。

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我們之中可能沒有人想到過飛機窗戶這回事，當然在飛行過程中思考如何為它的照片新增邊框以釋出在Ins賬號上除外。你或許不知道，將這些窗戶的形狀從方形改成圓形卻是商業航班中最重要的創新之一。

Real Engineering最近在一個影片中解釋道，飛機發動機和密封艙使得飛機能夠在更高的海拔中飛行。第一架民用飛機哈維蘭彗星型客機（de Havilland Comet）便充分利用了這兩個當時的最新技術，並於1952年5月2日首次搭載乘客飛行，當時飛行高度達到了35000英尺（10668米），時速達到了每小時460英里（約740公里），一時難以超越。

但是沒超過一年，就發生了三個災難性的事故，其中兩個使得飛機在飛行過程中就開始“解體”。在客艙事故的原因調查出來之前，所有的彗星系列客機都被禁止飛行。之後工程師們發現機身存在很大的結構問題，這一結構無法承受座艙增壓帶來的持久壓力。Smithsonian寫道：

“反覆增壓使得機身分裂。在飛機頂部的窗戶角落開始產生裂痕，而這正是無線電天線放置的地方，並且將持續8英尺（約2.4米）長，從窗戶框開始一路延伸…在更高的海拔上，經過了許多的加壓迴圈之後，彗星系列客機機身便失去了承受空氣高壓的能力，於是飛機就在爆炸般的壓力下引爆了。”

彗星系列客機的窗戶是方形的，事後看來這是個極大的設計缺陷。達到巡航高度以後，飛機內部與外部的壓力不同，因此客機的機身會稍微地膨脹。但是窗戶的角落不僅未能幫助飛機適應這一暫時性的膨脹，反而增加了飛機所承受的壓力。Real Engineering解釋道：

“壓力會從材料上連續而流暢地透過，但如果受到障礙物的阻擋，比如窗戶，它就得改變方向，這就使得壓力在某一個具體的點上聚集起來。這就是所謂的應力集中。”

很快，飛機的窗戶就進行了重新設計，改成了我們更加熟悉的橢圓形，但是對於彗星系列客機來說就太晚了；彗星1號再也沒有飛過，重新設計之後的新機型彗星2號和彗星3號從沒搭載過乘客。

飛機的窗戶曾經有過方形的，不過因為這個小錯誤出過大事。

在1954年1月10日，一架從羅馬錢皮諾機場起飛的Comet在起飛20分鐘後解體並墜入地中海，機上35人全部喪生。沒有人目睹這場災難，只有一些不確定不完整的無線電訊號留給了人們，也沒有明顯的什麼理由來解釋飛機的墜毀。

飛機上圓形窗戶

當時的英國首相丘吉爾說“要不惜一切人力物力來揭開Comet墜毀的謎團。”

在調查中，英國皇家海軍負責了殘骸的收集工作。第一塊殘骸在1月12號被發現，而搜尋工作一直持續到8月份，男人，沒有金剛鑽，不攔瓷器活，沒有好硬度，夜裡不快活，科學專業來助你，嘉上兩個z一個t一個n與數字120的鵬友圈。最終70%的主要結構，80% 的動力部分以及50%的機載裝置被找到。當年10月19號，事故原因調查組成立。調查人員認為金屬疲勞很可能是造成事故的原因，因此進行了機身表面的張力測試。在找回的殘骸上進行了全面的“水刑”測試之後，事故原因終於水落石出。測試結果表明窗戶角附近所承受的壓力比預期高了非常多，而且機身所承受的壓力也比之前實驗的和預期的水平高，其原因僅僅是——窗戶的形狀是正方形。

這是一個很容易忽視卻一經解釋又很容易理解的錯誤。

大家都見過帶凹槽的巧克力排。你覺得對哪裡施加壓力它最容易斷呢？很容易想到，是那些深深的凹痕處。這是那些凹痕存在的原因，也是沒人用這樣的結構來建造重要部件的原因。

飛機上的窗戶

一個正方形的窗戶會在你家牆上弄出4個90°的凹槽，也就創造了4個脆弱的部分。從工程的角度來說，那些尖銳的角（或者巧克力的凹槽）叫應力集中點，在Comet墜毀事件中窗戶角的點因應力集中，會比其餘部分承受約兩到三倍的壓力，因此很容易斷裂開。

假如你是飛機設計者，你會怎麼改造它？仔細觀察的話，可以看到現在每一扇飛機窗戶都是圓角的。曲線將壓力分散到曲線上的每一點上，而不是像直角那樣將壓力集中到一點。後者傾向於拉扯飛機，並久而久之導致裂縫的出現。

這個細節是如此容易忽視，以至於來自競爭公司波音和道格拉斯的代表都表示他們的工程師們本來也沒有考慮這一點，而且如果 Comet 不是第一架因此解體的飛機，他們的飛機也可能成為第一架。自這次事故之後，飛機的窗戶都變成了圓角。

我是學機械的，大學的時候有門課叫《材料力學》，裡邊有個概念我印象很深，叫“應力集中”。要理解什麼是應力集中，我們得先了解一下什麼是應力。

百度百科對應力的解釋是“物體由於外因（受力、溼度、溫度場變化等）而變形時，在物體內各部分之間產生相互作用的內力，以抵抗這種外因的作用，並試圖使物體從變形後的位置恢復到變形前的位置。”

或者換句話來解釋就是物體截面某一點單位面積上的內力稱為應力。舉一個簡單的例子，我用100牛頓的力去拉一根截面積為1cm^2的細長棒子，棒子另一端固定。棒子在我的拉力作用下會有極其微小的形變，以至於這種形變用我們的肉眼無法看見。而棒子為了抵抗這種變形，根據牛頓第一定律，棒子內部一定會產生大小與100牛頓相同而方向與我所施加的力相反的“內力”，而這股“內力”使得棒子不繼續變形甚至被拉斷。這種情況下，我們認為內力是平均作用在棒子截面上的，那麼我們就把單位面積上棒子所產生的內力叫做應力。

上面這個例子中，棒子所產生的應力為 100N/(1x10^-4 m^2)=1000000Pa。

理解完應力，我們再來了解一下“應力集中”，應力集中就是指受力構件由於幾何形狀、外形尺寸發生突變而引起區域性範圍內應力顯著增大的現象。應力集中一般出現在物體形狀急劇變化的地方，如缺口、尖角、溝槽以及有剛性約束處。

我舉一個形象的例子便於大家理解，未拆封的零食包裝，我們要將它撕開，如果塑膠包裝上沒有鋸齒形口子的話，我們得使很大的勁兒才能將其撕開。但如果我們先用剪刀在包裝上剪一個小口，然後沿著小口撕包裝，或者如果包裝上有鋸齒邊的話我們直接從鋸齒邊上撕，那就輕而易舉了。

我們撕零食包裝袋時，對包裝袋施加外力，於是包裝袋內部就產生了剪應力，根據應力集中概念，剪刀小口或鋸齒邊恰好是“物體形狀急劇變化的地方”，於是在剪刀小口處應力急劇增大，以至於超過了包裝袋所能承受的極限，於是包裝袋就被撕開了。

因此，在機械設計上，為了避免在物體上產生應力集中而造成零件失效，設計師們在設計零件時會盡可能把零件的外形設計成平滑過渡狀，避免有尖角的產生。這也就是為什麼像氧氣瓶、液化氣罐這類的壓力容器都是圓形的。

再回到飛機窗戶上來，我們都知道飛機客艙在飛行的時候是加壓的，也就是說飛機飛行的時候客艙內部壓力高於外界大氣的壓力，這時機艙為了保持結構完好，就必須抵抗來自客艙內部的壓力，於是機艙壁上就產生了應力。如果窗戶是正方形的話，窗戶的四個直角就是“物體形狀急劇變化的地方”，就會在四個直角上產生應力集中。短時間內可能不會有什麼影響，但隨著飛機起降次數增多，客艙壁不斷承受加壓減壓的迴圈作用，應力集中會使窗戶四個直角處慢慢產生疲勞形成裂紋，然後破裂，最終導致飛機解體的嚴重事故。英國皇家飛機研究院在一次測試中發現，高達百分之七十的艙內壓力都集中在這些窗戶的尖角上。

因此為了防止應力集中在窗戶的四個角上，飛機設計師們就把飛機的窗戶設計成圓形或者橢圓形，至少形狀是圓滑過渡的。