“我要飞到世界各地去,戴上属于我的竹蜻蜓,打开抽屉坐上时光机,和伙伴们唱着哆唻咪……”这是青年男歌手石凯演唱的歌曲《竹蜻蜓》的一段歌词。
看到歌名,很多人或许会联想到动画片《哆啦A梦》中的竹蜻蜓飞行器。其实,竹蜻蜓是一种中国传统的民间儿童玩具之一,流传甚广。从大自然中蜻蜓飞翔受到启示,古人发明了竹蜻蜓。竹蜻蜓外形呈T字形,横的是“翅膀”,当中有一个小孔,孔中插入一根笔直的竹棍,即为竖柄。玩时,用双手掌夹住竖柄,快速搓转,然后双手一松,竹蜻蜓就会旋转飞向天空,旋转一会儿后才会落下来。在制作和玩耍竹蜻蜓的过程中,可以领略中国古老儿童玩具的趣味和科学技术的奥妙。
竹蜻蜓的叶片和水平旋转面之间有一个倾斜角,这个倾斜角度是可以调整的。当旋翼旋转时,旋转的叶片将空气向下推,形成一股强风,而空气也给竹蜻蜓一股向上的反作用升力,这股升力随着叶片的倾斜角而改变,倾角大升力就大,倾角小升力也小。当升力大于竹蜻蜓自身的重力时,竹蜻蜓便可向上飞起。
竹蜻蜓的叶片和旋转面也保持一个倾角,所以当我们用手旋转竹蜻蜓时,它会得到空气的反作用推力而向上飞出。翼面的阻力面积愈大,作用力愈大,因而反作用力也愈大(浮力也愈大),竹蜻蜓就飞得愈高。但是我们也发现阻力面积愈大,所需的旋转力愈大,因此在竹蜻蜓实际操作中并不实用,可能需要在力与角度面积中找出一个平衡点,使得竹蜻蜓既省力好操作又飞得高。要想使竹蜻蜓既省力、好操作又飞得高,就要在重量(转动惯量)、角度(上升速度)、面积(上升力)之间寻找一个平衡点。
竹蜻蜓在18世纪传到欧洲。被誉为“航空之父”的英国人乔治·凯利,一辈子都对竹蜻蜓着迷。他的第一项航空研究就是在1796年仿制和改造了“竹蜻蜓”,并由此悟出螺旋桨的一些工作原理。他的研究推动了飞机研制的进程,并为西方的设计师带来了研制直升机的灵感。
现代直升机的基本原理与竹蜻蜓没有本质上的区别。螺旋桨在旋转过程中切割空气,由于特殊的桨叶结构,造成螺旋桨上侧空气流速快,下侧空气流速慢,根据伯努利原理,会形成一个向上力差,当这个力大于重力时,直升飞机就腾空而起了。
初审:汪 杨
复审:傅仁斌
终审:罗 锴