一根轉動的圓筒能有什麼用,能代替機翼嗎?

2020-11-22 騰訊網

在我們的印象當中，飛機和帆船的形象就如下面幾幅圖

一般來說，飛機如果沒有機翼，那麼它是無法升空的；而帆船一旦沒有帆，就意味著不能免費的使用自然風作為動力，這樣一來，燃料或人力成本將會大幅上升，這些道理都是顯而易見的，但另一方面，大家對於飛機機翼以及帆船的船帆，是不是已經有一種固定思維，似乎機翼和船帆就應該長這樣？

實際上還真不是這樣，只能說這樣的機翼和船帆是最常見的

比如下面三幅圖

第一幅是一架水上飛機，第二幅是飛機愛好者做的一架遙控飛機，我們可以明顯的看到，飛機上原本應該裝著扁平機翼的地方，都換成了大圓筒；第三幅圖則是在一條大貨輪，上面立著兩根龐大的圓筒。這些大圓筒發揮了原本機翼和船帆的作用。

那麼這些圓筒是如何工作的呢？

是不是只需要安裝在那，一動不動就行了？很顯然這是不可能的，否則何必把機翼和船帆換下來呢？可是這些圓筒到底有什麼作用呢？估計不少朋友都很好奇這一點。

首先，這些圓筒的工作方式就是一個字——轉，繞著各自的筒軸旋轉。說到這，估計大家就更好奇了，這些圓筒的工作就是旋轉？難道轉起來，就能把飛機帶飛，貨輪帶跑嗎？

沒錯，還真是這樣，那麼這背後的原理又是什麼呢？

我們先來回顧一下飛機機翼以及帆船的船帆是如何起作用的。

飛機機翼

一般來說，在介紹飛機如何升空時，都會說是飛機的機翼提供了升力，而這個升力則是由於機翼上下兩面的壓力差導致的，而壓力差則是通過伯努利方程給出的，雖然這種解釋已經流行的很多年，並且在很多篇科普文章中都是這麼介紹的。

如圖

小編以前在上中學時就看過類似文章（出自一本國外科學家寫的書，作者對很多科學理論都做了不少深刻獨特的看法，可惜小編已經完全忘記書名是什麼了）。

不過，作為科普，還是講伯努利方程比較好，雖然飛機升空的主要原因並不是伯努利方程能夠解釋的，但無論如何還是少不了機翼或者類似形狀部件的作用（火箭、飛彈那種升空可以另作一談），因此從科普角度來說，這樣的解釋還是比較好的，不能要求太高了，畢竟本質原因也還沒個定數。

船帆

船帆的作用就很容易了，藉助於風力，不斷改變船帆的狀態，可以使得船隻在順風，甚至是逆風的情況下前進（這些過程可以用力學規律，比如動量定理等等去解釋）

如圖

我們發現，不論是飛機機翼還是帆船的船帆，它們的核心作用就是為主體提供了一個力，這個力可以使飛機升空，使船隻移動，而這個力同樣可以由旋轉的圓筒提供。

下面我們就來看看旋轉的圓筒到底是怎樣起作用的吧

先來看一幅動圖

一個人將籃球從一個大壩上扔下去，注意一點，在扔的時候，他將籃球轉了起來，也就是說籃球在重力的作用下，是邊降落邊旋轉的，結果發現，籃球並不是按照我們想像中的以一條近似垂直的路線落到底部，而是以一段很大的弧線路徑降落的，最後「飄」落到湖面，甚至還打了個水漂。

我們將這個過程簡化為下圖

籃球下落的時候，是迎風的，也就是運動方向與風向是相反的，而籃球是順時針旋轉的（逆時針順時針是取決於觀察角度的），由於籃球旋轉時，本身就會帶動周圍附近的空氣跟著一塊旋轉，此時就會出現一種情況，由於籃球運動方向與風向相反，那麼在籃球一側的風速就會略微增強，而籃球另一側的風速會略微減少。

在得到這一點後，再應用伯努利方程，流速快的地方，壓強要小於流速慢的地方，因此籃球左側的風壓就會大於右側，於是一股垂直於運動方向的力就出現了，此時我們再回到籃球從大壩墜落時的場景，由於籃球除了重力、阻力外，還受到了一股力，因此籃球就以一種大弧線的運動路徑降落了。

我們把這個現象稱為馬格努斯效應。

此時我們將馬格努斯效應用於圓筒形機翼和船帆上

對於飛機機翼，當飛機引擎提供了一股推力之後，飛機在跑道上滑行，那麼對於圓筒機翼來說，就有了一股與其運動方向相反的風，此時旋轉圓筒，馬格努斯效應產生，作用在機翼上由一股升力產生，於是飛機被拉起

如圖

對於船隻來說，設想一股橫風吹過船隻，同樣的道理，啟動圓筒旋轉，一股推力產生，幫助船隻運行，實際上這種利用馬格努斯效應的船隻，能夠可觀的減少燃料的消耗量（與船隻的航行速度成反比，這一點很好理解，比如船隻的槳葉停止工作，只轉動圓筒，那麼在風力的作用，船隻也會緩慢的前行）

這種利用馬格努斯效應輔助航行的船隻，最早出現在上世紀二十年代，不過在當時並沒有引起多大反響，直到八十年代以後，才有公司將其應用於大型貨輪以及油輪身上。

其實馬格努斯效應在生活中並不罕見，比如下面這個小玩具，將其吹轉起來

再比如足球運動員踢出的香蕉球也是利用的這個效應

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