你玩過“飛去來器”嗎?它還有個名字叫盤旋鏢。這是一種神奇的玩具,當你將它用力扔標的目的前方時,它會在空中扭轉著劃出一道奇奧弧線,最后精確地回到你的手中。當然,這需要你姿勢準確,而且頻頻操練才能當作功。
盤旋鏢的汗青
盤旋鏢被認為是由澳大利亞原居民發現的一種原始打獵東西,它是一種彎曲的扁平旋翼,可以用來擊打遠處的獵物,也可以拿來當當作兵器。
澳大利亞原居民制做的盤旋鏢
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近似的器物。聞名的埃及法老王圖坦卡蒙的墓葬中就保留有幾支3300年前古埃及人建造的精彩飛鏢,據說這些飛鏢既有直飛的也有回返品種。
圖坦卡蒙墓葬中出土的盤旋鏢
最早的盤旋鏢并不克不及返回,它現實上可能就是一根樹枝或一根腿骨,前人用它來拋擲,用來擊打遠處的獵物,或者純真用于防御野獸的襲擊,是以稱其為“拋擲棍”或“飛旋鏢”更合適。這種工具從石器時代就已經被我們的祖先利用,考古學家們從波蘭喀爾巴阡山脈的Ob?azowa洞窟中發現的一種飛旋鏢是用猛犸象牙制當作的,按照加快器質譜測年,它至少有3萬年的汗青,這可能是人類建造最早的一支飛旋鏢。
古埃及壁畫顯示人們拋擲棍子獵捕水鳥
原始人類是靠拋擲樹枝和石頭來打獵的。可能是顛末持久的試探發現彎曲的樹枝在空中的飛翔軌跡更不變,可以扔得更遠更準,同時在天然界中彎曲的樹枝永遠多于筆直的木棍,慢慢地人們起頭將那些用得隨手的堅硬樹枝保留下來,將其打磨當作一件稱手的刀兵。
蒙古族獵手將彎曲樹枝制當作拋擲兵器,這就是布魯
從適用的角度看,可以或許返回的盤旋鏢因為拋擲的精確性不如木棍,是以它不是抱負的兵器,打獵者會傾標的目的于選擇那些健壯而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鬼使神差的成果,它們最初被打磨當作扁平,或許是為了便于攜帶,又或者被用來切割和剝離獸皮,然后被發現打磨后的某些飛旋鏢存在奇異的飛翔軌跡,進而慢慢演化為盤旋鏢。
盤旋鏢在飛翔的過程中會因為切割空氣而發作聲音,同時它在空中像一只疾飛的隼鳥,澳洲土著經常用它來驚嚇、驅趕和擊打鳥群,當它不克不及擊中飛鳥時還能飛回來,這樣獵人就不會等閑丟掉打獵東西了。
一個澳洲原始土著家庭,男人腰間插著一枚盤旋鏢
飛旋鏢若何連結不變?
早期的人類會選擇頎長的棍棒沖擊獵物,當獵物的位置更遠,棍棒無法夠到時,人們會選擇將棍棒拋擲出去。慢慢地,獵人們發現那些彎曲的棍棒可以打得更準,于是決心尋找和加工這些樹枝專門用于拋擲。
為什么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于兩個分支所構成平面的中心某個位置,當樹枝被投出時,它在空中以這個平面繞質心扭轉。這就像是一個外形不法則的陀螺,扭轉使飛翔變得加倍不變,也令拋擲變得加倍精確。
因為角動量守恒,陀螺具有很是好的不變性
為了獲得不變的角動量,拋擲者需要把握必然的技巧。他起首需要包管樹枝在飛翔的過程中是繞質心扭轉,同時這種扭轉該當發生在由枝杈構成的配合平面上。拋擲者不克不及亂扔,不然樹枝的飛翔彈道不成能籌劃不變,天然也就無法擊中方針。
飛旋鏢在平面上繞質心扭轉
若是樹枝比力直,它一端擁有較大的質量(好比有一個大疙瘩)也可以發生近似陀螺的不變扭轉。當我們將一把斧頭扔標的目的前方時,斧頭的木柄會環繞其頭部扭轉,使斧頭發生精確的彈道。飛斧是中宿世紀歐洲步卒和騎士殺傷仇敵的主要手段之一,此刻它當作為砍木工人的一項競賽和娛樂勾當。
注重看斧頭在空中的活動狀況
盤旋鏢若何才能飛回來?
不知道你是否玩過竹蜻蜓?它是我們小時辰的玩具,據說在戰國期間就已經被發現出來了。竹蜻蜓由兩部門組成:一個由木片或竹片制當作的頎長旋翼,在此中心位置插上一根細竹棍。當用手搓動竹棍時,旋翼會快速扭轉發生升力,這時松開手,它就像直升飛機一樣升到空中。
竹蜻蜓繞軸扭轉
盤旋鏢不是平直的,它的質心大大都并不位于此中心點,所以你不克不及給盤旋鏢也裝一個軸。但因為盤旋鏢是繞質心扭轉的,所以我們依然可以將它打磨當作直升飛機旋翼的樣子。從側面看,它與竹蜻蜓的側視圖根基不異。
盤旋鏢的布局視圖
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,當機翼在空氣中活動時,氣暢通過機翼后會改變偏向標的目的下彎曲。按照牛頓第二心猿意馬律,這種流動偏向的轉變需要機翼對空氣施加標的目的下的力。然后,牛頓第三心猿意馬律要求空氣對機翼施加標的目的上的力。是以發生了與偏向轉變相反的反感化力升力。在飛機飛翔的過程中,機翼對空氣施加標的目的下的力,而空氣在機翼上施加標的目的上的力。
盤旋鏢的剖面被打磨當作機翼的外形
空氣是流體,在流體動力學中有一個聞名的伯努利道理,它指出:流體速度的增添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于下方空氣的速度更快,是以機翼上方空氣的壓強比下方更小,機翼被空氣抬升。
機翼的空氣動力學道理
在飛翔的過程中,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。這一點很主要,它是盤旋鏢可以或許返回的主要身分。
在講物理之前,我們先來看一下盤旋鏢的拋擲方式:你需要豎直握住盤旋鏢的一端,使其標的目的外側傾斜約15°~20°的小角度,找準迎風的偏向再將身體標的目的左或標的目的右轉約45°以便當用風力,將其舉過甚頂用力標的目的前投出去。
此刻我們知道了,飛旋鏢最初是以一個傾斜的角度標的目的前飛翔的。它在空中環繞著本身的質心做陀螺扭轉活動,同時經由過程旋翼切割空氣獲得升力,這樣它就不那么輕易失落落下來。
同時在飛翔的過程中,飛旋鏢活動軌跡外側的活動速度老是快于其內側速度,這是因為我們在拋擲的時辰給了它一個初始的角動量,它會以逆時針自轉著標的目的前飛翔。因為外側切割空氣的速度更快,空氣對這個扭轉物體外側的反推力也更大,這個反推力會迫使飛旋鏢不竭改變其自轉軸的角度,是以在空中劃出一個弧形的軌跡。
飛旋鏢在活動中的受力環境改變了它的自轉軸
若是我們拋擲的力度、角度準確,而且空氣中風標的目的和風力合適,飛旋鏢會最終飛回到你的手里。
盤旋鏢的飛翔軌跡示意
總結:
飛旋鏢之所以可以或許回到我們的手中,是因為它的設計考慮了空氣動力學道理。盡管飛旋鏢并不滿是完美的旋翼,但它可以在空中環繞著自身的質心做不變扭轉,其旋翼切割空氣為更長的滯空時候供給了升力。
因為飛翔軌跡外側的旋翼相對速度更快,空氣對其有更大的推力,它鞭策飛旋鏢在活動過程中自轉軸的角度發生改變,從而改變了其活動軌跡。
飛旋鏢是否可以或許回到你的手中與它的氣動設計外形相關,與你拋擲的角度、速度以及風標的目的也有很大的關系,你需要經由過程頻頻的操練才能達到抱負的結果。
準確的拋擲姿勢
最后,在玩飛旋鏢的時辰必然要選擇一個相對坦蕩的場地,同時應該避開人群。木制盤旋鏢飛翔速度很快,殺傷力很大,你在拋擲時需要時刻寄望它的狀況,接鏢時也需要時刻小心,以免被它擊傷。
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