「飛去來器」是如何飛回到我們手中的?

2020-12-14 老粥科普

你玩過「飛去來器」嗎?它還有個名字叫迴旋鏢。這是一種神奇的玩具,當你將它用力扔向前方時,它會在空中旋轉著劃出一道奇妙弧線,最後準確地回到你的手中。當然,這需要你姿勢正確,並且反覆練習才能成功。

迴旋鏢的歷史

迴旋鏢被認為是由澳大利亞原住民發明的一種原始狩獵工具,它是一種彎曲的扁平旋翼,可以用來擊打遠處的獵物,也可以拿來當成武器。

事實上,不只是在澳大利亞,人們在歐洲甚至古埃及也發現了類似的器物。著名的埃及法老王圖坦卡蒙的墓葬中就保存有幾支3300年前古埃及人製作的精美飛鏢,據說這些飛鏢既有直飛的也有回返品種。

最早的迴旋鏢並不能返回,它實際上可能就是一根樹枝或一根腿骨,古人用它來投擲,用來擊打遠處的獵物,或者單純用於防禦野獸的襲擊,因此稱其為「投擲棍」或「飛旋鏢」更合適。這種東西從石器時代就已經被我們的先人使用,考古學家們從波蘭喀爾巴阡山脈的Obazowa洞穴中發現的一種飛旋鏢是用猛獁象牙製成的,根據加速器質譜測年,它至少有3萬年的歷史,這可能是人類製作最早的一支飛旋鏢。

原始人類是靠投擲樹枝和石頭來狩獵的。可能是經過長期的摸索發現彎曲的樹枝在空中的飛行軌跡更穩定,可以扔得更遠更準,同時在自然界中彎曲的樹枝永遠多於筆直的木棍,慢慢地人們開始將那些用得順手的堅硬樹枝保留下來,將其打磨成一件稱手的兵器。

從實用的角度看,能夠返回的迴旋鏢由於投擲的準確性不如木棍,因此它不是理想的武器,狩獵者會傾向於選擇那些結實並且擁有筆直彈道的木棍。今天我們看到的回返式飛鏢也許是一種陰差陽錯的結果,它們最初被打磨成扁平,或許是為了便於攜帶,又或者被用來切割和剝離獸皮,然後被發現打磨後的某些飛旋鏢存在奇異的飛行軌跡,進而逐步演化為迴旋鏢。

迴旋鏢在飛行的過程中會因為切割空氣而發出聲音,同時它在空中像一隻疾飛的隼鳥,澳洲土著常常用它來驚嚇、驅趕和擊打鳥群,當它不能擊中飛鳥時還能飛回來,這樣獵人就不會輕易丟失狩獵工具了。

飛旋鏢如何保持穩定?

早期的人類會選擇細長的棍棒打擊獵物,當獵物的位置更遠,棍棒無法夠到時,人們會選擇將棍棒投擲出去。慢慢地,獵人們發現那些彎曲的棍棒可以打得更準,於是刻意尋找和加工這些樹枝專門用於投擲。

為什麼彎曲的樹枝比那些直的棍子打得更準?這是因為彎曲樹枝的質心處於兩個分支所組成平面的中間某個位置,當樹枝被投出時,它在空中以這個平面繞質心旋轉。這就像是一個形狀不規則的陀螺,旋轉使飛行變得更加穩定,也令投擲變得更加準確。

為了獲得穩定的角動量,投擲者需要掌握一定的技巧。他首先需要保證樹枝在飛行的過程中是繞質心旋轉,同時這種旋轉應當發生在由枝杈組成的共同平面上。投擲者不能亂扔,否則樹枝的飛行彈道不可能操持穩定,自然也就無法擊中目標。

如果樹枝比較直,它一端擁有較大的質量(比如有一個大疙瘩)也可以產生類似陀螺的穩定旋轉。當我們將一把斧頭扔向前方時,斧頭的木柄會圍繞其頭部旋轉,使斧頭產生準確的彈道。飛斧是中世紀歐洲步兵和騎士殺傷敵人的重要手段之一,現在它成為伐木工人的一項競賽和娛樂活動。

迴旋鏢如何才能飛回來?

不知道你是否玩過竹蜻蜓?它是我們小時候的玩具,據說在戰國時期就已經被發明出來了。竹蜻蜓由兩部分構成:一個由木片或竹片製成的細長旋翼,在其中心位置插上一根細竹棍。當用手搓動竹棍時,旋翼會快速旋轉產生升力,這時鬆開手,它就像直升飛機一樣升到空中。

迴旋鏢不是平直的,它的質心大多數並不位於其中心點,所以你不能給迴旋鏢也裝一個軸。但由於迴旋鏢是繞質心旋轉的,所以我們依然可以將它打磨成直升飛機旋翼的樣子。從側面看,它與竹蜻蜓的側視圖基本相同。

機翼的剖面是一個上方弧度比下方弧度更大的水滴流線形,當機翼在空氣中運動時,氣流通過機翼後會改變方向向下彎曲。根據牛頓第二定律,這種流動方向的變化需要機翼對空氣施加向下的力。然後,牛頓第三定律要求空氣對機翼施加向上的力。因此產生了與方向變化相反的反作用力升力。在飛機飛行的過程中,機翼對空氣施加向下的力,而空氣在機翼上施加向上的力。

空氣是流體,在流體動力學中有一個著名的伯努利原理,它指出:流體速度的增加與壓力的降低或流體的勢能的降低同時發生。換句話就是速度越快壓強越低。機翼上方的空氣速度相對於下方空氣的速度更快,因此機翼上方空氣的壓強比下方更小,機翼被空氣抬升。

在飛行的過程中,機翼的受力與它切割空氣的角度(迎角)有關,也與機翼切割空氣的速度有關,機翼的速度越快,它受到的升力就越大。這一點很重要,它是迴旋鏢能夠返回的重要因素。

在講物理之前,我們先來看一下迴旋鏢的投擲方法:你需要豎直握住迴旋鏢的一端,使其向外側傾斜約15°~20°的小角度,找準迎風的方向再將身體向左或向右轉約45°以便利用風力,將其舉過頭頂用力向前投出去。

現在我們知道了,飛旋鏢最初是以一個傾斜的角度向前飛行的。它在空中圍繞著自己的質心做陀螺旋轉運動,同時通過旋翼切割空氣獲得升力,這樣它就不那麼容易掉落下來。

同時在飛行的過程中,飛旋鏢運動軌跡外側的運動速度總是快於其內側速度,這是因為我們在投擲的時候給了它一個初始的角動量,它會以逆時針自轉著向前飛行。由於外側切割空氣的速度更快,空氣對這個旋轉物體外側的反推力也更大,這個反推力會迫使飛旋鏢不斷改變其自轉軸的角度,因此在空中劃出一個弧形的軌跡。

如果我們投擲的力度、角度正確,並且空氣中風向和風力合適,飛旋鏢會最終飛回到你的手裡。

總結:

飛旋鏢之所以能夠回到我們的手中,是因為它的設計考慮了空氣動力學原理。儘管飛旋鏢並不全是完美的旋翼,但它可以在空中圍繞著自身的質心做穩定旋轉,其旋翼切割空氣為更長的滯空時間提供了升力。

由於飛行軌跡外側的旋翼相對速度更快,空氣對其有更大的推力,它推動飛旋鏢在運動過程中自轉軸的角度發生改變,從而改變了其運動軌跡。

飛旋鏢是否能夠回到你的手中與它的氣動設計外形相關,與你投擲的角度、速度以及風向也有很大的關係,你需要通過反覆的練習才能達到理想的效果。

最後,在玩飛旋鏢的時候一定要選擇一個相對開闊的場地,同時應該避開人群。木製迴旋鏢飛行速度很快,殺傷力很大,你在投擲時需要時刻留意它的狀態,接鏢時也需要時刻小心,以免被它擊傷。

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