你玩過“飛去來器”嗎?它還有個名字叫回旋镖。這是一種神奇的玩具,當你将它用力扔向前方時,它會在空中旋轉着劃出一道奇妙弧線,最後準确地回到你的手中。當然,這需要你姿勢正确,并且反複練習才能成功。
回旋镖的曆史回旋镖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。
澳大利亞原住民制做的回旋镖
事實上,不隻是在澳大利亞,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年前古埃及人制作的精美飛镖,據說這些飛镖既有直飛的也有回返品種。
圖坦卡蒙墓葬中出土的回旋镖
最早的回旋镖并不能返回,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,或者單純用于防禦野獸的襲擊,因此稱其為“投擲棍”或“飛旋镖”更合适。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Obłazowa洞穴中發現的一種飛旋镖是用猛犸象牙制成的,根據加速器質譜測年,它至少有3萬年的曆史,這可能是人類制作最早的一支飛旋镖。
古埃及壁畫顯示人們投擲棍子獵捕水鳥
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迹更穩定,可以扔得更遠更準,同時在自然界中彎曲的樹枝永遠多于筆直的木棍,慢慢地人們開始将那些用得順手的堅硬樹枝保留下來,将其打磨成一件稱手的兵器。
蒙古族獵手将彎曲樹枝制成投擲武器,這就是布魯
從實用的角度看,能夠返回的回旋镖由于投擲的準确性不如木棍,因此它不是理想的武器,狩獵者會傾向于選擇那些結實并且擁有筆直彈道的木棍。今天我們看到的回返式飛镖也許是一種陰差陽錯的結果,它們最初被打磨成扁平,或許是為了便于攜帶,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镖存在奇異的飛行軌迹,進而逐步演化為回旋镖。
回旋镖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吓、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丢失狩獵工具了。
一個澳洲原始土著家庭,男子腰間插着一枚回旋镖
飛旋镖如何保持穩定?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,人們會選擇将棍棒投擲出去。慢慢地,獵人們發現那些彎曲的棍棒可以打得更準,于是刻意尋找和加工這些樹枝專門用于投擲。
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于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确。
因為角動量守恒,陀螺具有非常好的穩定性
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标。
飛旋镖在平面上繞質心旋轉
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)也可以産生類似陀螺的穩定旋轉。當我們将一把斧頭扔向前方時,斧頭的木柄會圍繞其頭部旋轉,使斧頭産生準确的彈道。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。
注意看斧頭在空中的運動狀态
回旋镖如何才能飛回來?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:一個由木片或竹片制成的細長旋翼,在其中心位置插上一根細竹棍。當用手搓動竹棍時,旋翼會快速旋轉産生升力,這時松開手,它就像直升飛機一樣升到空中。
竹蜻蜓繞軸旋轉
回旋镖不是平直的,它的質心大多數并不位于其中心點,所以你不能給回旋镖也裝一個軸。但由于回旋镖是繞質心旋轉的,所以我們依然可以将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。
回旋镖的結構視圖
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。因此産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。
回旋镖的剖面被打磨成機翼的形狀
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于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,機翼被空氣擡升。
機翼的空氣動力學原理
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,它是回旋镖能夠返回的重要因素。
在講物理之前,我們先來看一下回旋镖的投擲方法:你需要豎直握住回旋镖的一端,使其向外側傾斜約15°~20°的小角度,找準迎風的方向再将身體向左或向右轉約45°以便利用風力,将其舉過頭頂用力向前投出去。
現在我們知道了,飛旋镖最初是以一個傾斜的角度向前飛行的。它在空中圍繞着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,飛旋镖運動軌迹外側的運動速度總是快于其内側速度,這是因為我們在投擲的時候給了它一個初始的角動量,它會以逆時針自轉着向前飛行。由于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镖不斷改變其自轉軸的角度,因此在空中劃出一個弧形的軌迹。
飛旋镖在運動中的受力情況改變了它的自轉軸
如果我們投擲的力度、角度正确,并且空氣中風向和風力合适,飛旋镖會最終飛回到你的手裡。
回旋镖的飛行軌迹示意
總結:飛旋镖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。盡管飛旋镖并不全是完美的旋翼,但它可以在空中圍繞着自身的質心做穩定旋轉,其旋翼切割空氣為更長的滞空時間提供了升力。
由于飛行軌迹外側的旋翼相對速度更快,空氣對其有更大的推力,它推動飛旋镖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迹。
飛旋镖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系,你需要通過反複的練習才能達到理想的效果。
正确的投擲姿勢
最後,在玩飛旋镖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。木制回旋镖飛行速度很快,殺傷力很大,你在投擲時需要時刻留意它的狀态,接镖時也需要時刻小心,以免被它擊傷。
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