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休闲玩具神奇魔碟飞去来器制作原理与飞行

休闲玩具神奇魔碟飞去来器制作原理与飞行图片
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详细说明

郑州点点工艺品厂神奇魔碟飞去来器又名回旋镖、自归器、飞去飞来器等其它名称,顾名思义就是飞出去以后会再飞回来。它的形状有三叶型、“十”字型、多叶型,以及其它的各种造型。我国早在新石器时代便已出现了用硬木片削制成的十字型猎具,原始部落的猎手们常用这种回旋前进的武器打击飞禽走兽,在不断的抛掷中他们发现不同的十字交叉,在风力的影响下能够回旋来去。“V”字型和香蕉型的飞去来器曾是澳洲土著人的传统狞猎工具,熟练的猎手向猎物发出飞去来器以后,如果没有击中目标飞去来器会神奇般的返回发出者的手中。杂技学术界认为中国*早的杂技节目便是飞去来器。现在飞去来器成了今日澳洲人的宠儿,人们把它看作玩具和运动器械开展投掷比赛,这项运动已风行欧美,在德国北部城镇基尔定期的举行世界性的飞行飞去来器锦标赛。不仅如此,它甚至深入到澳洲的主流文化中,于是出现了一种特殊的风俗,当客人离别时主人买一个飞去来器作为临别赠品。礼物含有祝福的意思,即祝他飞去了再飞回来。

  飞去来器的玩法也需要经过不断地练习,掌握其中的要领。在飞行时尽量选择宽阔的空地或草坪,*好在你的飞去来器飞行轨迹范围内无人,如果有人的话你要让他们明白你在做什么以便闪躲,因为飞去来器虽然是玩具但也很有可能成为武器伤到人。不管是何种造型的飞去来器,大部分的截面都如传统机翼般下部平坦上部呈弧形,飞行时手执飞去来器的前端竖起平的一面向右,用拇指、食指和中指握住,飞去来器的末端一无名指支撑,并将其向右倾斜20-45度左右,具体倾斜角度要根据每一个不同的飞去来器性能而定。举起飞去来器至肩膀的上方,飞出时运用腕力(使其飞行时能高速旋转)如投棒球般向前方手臂与地面平行或略微抬高掷出。在强风中不宜投掷,如果是微风,则人先面对风向,再右转45度掷出。

  等掷的技术不错以后你可能会想去接住它,当它飞回时打开双手然后手掌像夹书一样以“三文治式”的方式双手伸直夹住飞去来器。以这种方式来接镖的话,只有当飞去来器与您的肩或者腰同样高度时方可;当飞去来器的高度在您的脸部或者眼睛,千万不可以以这种方式来接镖,应尽量躲开。不要尝试背对着去接镖,应依照飞去来器的飞行途径,当飞至您身边时您可尝试去接住它,*好不以单手接,除非你已是很熟练的投掷手。

飞去来器飞出去又能回飞的原因,主要在镖臂的截面形状及其自旋。沒有这两点特性,飞去来器就和其他丟出去的木棍沒有两样。镖臂的截面形状使飞去来器所受的空气升力和机翼相同,而镖的自转则令镖身稳定。由转动力学知道,飞去来器和陀螺一样,其自转轴也绕铅直线旋转。升力及稳定性使飞去来器上升,而其自旋轴之转动则令飞去来器回飞。

  欲了解升力,可以传统机翼的简单模型來解释。传统机翼底部平坦,前缘较钝,后缘锐利而顶部凸出。流经机翼顶上的气流较流经底部者快。其理由可將流过的空气分为两类來看,一类是气流中沒有回旋,并且在机翼上下方的速率相同;另一类则是循环型,气流由顶面流向末端,再循底部回到前端。因为空气对机翼表面的黏滞和附着力,所以气流由顶面流至末端时产生此一循环。

  此二理想化气流重叠,其速度在机翼上方相加,在机翼下方则相减。结果,实际的空气速率是上方大于下方。因为气压和气流速率成反比(此种差別对升力十分重要),故机翼上方之大压力小于下方,因此机翼获得向上之推力。(实际机翼之气流形态,较此要复杂得多,甚至飞机高速飞行时,向上微倾以下压空气的机翼底部,亦因受气流之撞击,而获得部分升力。)

  如果机翼朝气流的方向傾斜,使气流正射在弯曲的顶部,升力当然会減小,这种入射方式叫负攻角。升力減小的緣故是入射气流有施於上表面的下压力;也可说部分升力消失是因为气流回绕机翼的趋势減弱,而且机翼上下的气流速率差減少了。相反的,如果机翼傾斜,使气流稍微正射平坦的底部,这种情況就叫正攻角,因气流向上推会使升力增加,气障也增加。如果角度太大,不利的气障递升就会超过有利之升力,所以飞去来器镖臂迎向气流的角度,对其飞行十分重要。

  镖臂的截面形状很多,但大部分都类似传统机翼。这种形状通常包括飞去来器旋转时挺进气流的钝边和尾随的锐边。经常一面是平的,一面是凸的。以此为基本形状的变化很多,然而,却少有人系统地研究,到底何种形状在气体动力学上*好。有些飞去来器两边都是平的,但在飞行中,以扭转镖臂来使气流偏向。

  飞去来器与传统机翼之升力有一主要的不同。在*初的飞行中,“升力”几乎是水平的,向上的力只够平衡飞去来器的重量。因为飞去来器绕水平轴旋转,镖臂的弯曲部分就在近乎铅直的面上旋转,其升力亦近乎水平。这了简化,以下的讨论将不计飞去来器的重量,并假设飞去来器是由慣用右手的人掷出。于是旋转平面在开始时铅直,升力朝拋掷者的左方,镖在铅直面上继续旋转而向左飞去。如果只是這样,飞去来器就永远飞不回來了。要知道为什么它会回飞,就必须先了解还有什么升力作用在镖上,尤其要知道由升力产生的力矩,如何导致旋转平面的进动。假设飞去来器的一臂已到达*高点,而另一臂几乎在*低点(指的是香蕉形的飞去来器)。上臂旋转方向与镖的中心点速度同向,而下臂則反向旋转。流经上臂的空气速率较下臂的快(从镖臂來看),因此上臂产生的升力较大。飞去来器在自旋中,上半部始终受较大的升力,因此比下半部受到更大的侧向推力。首先想到的是,水平的升力差(在上臂较大)会使飞去来器的自旋面傾斜,升力方向朝下(结果损失惨重)。然而实际情形是,升力差使得飞去来器绕一铅直轴旋转,把镖往回帶的正是自旋平面的转动,通常叫做进动。

  要了解进动的原因,就必须研究升力产生之力矩。令飞去来器绕其中心自旋(事实上,双臂飞去来器自旋时所绕的是质心,并非镖身正中心,但那并不影响讨论的结果),上臂平均升力由其中水平向外;同样的,也令下臂平均升力由其中心水平向外。此二升力之一所产生的力矩,是升力与镖心到力作用点距离(即上臂之一半长度)的乘积。上臂因有较大的升力,故所产生的力矩较大。如果飞去来器不自旋,此力矩差只会使其平面傾转。因上臂有较大的力矩,由拋掷者看來,平面呈反时针方向傾转,然而飞去来器是自旋的,结果就大大的不同。因为这样,所以产生了角动量、而自旋平面傾斜之趋向使它自己绕铅直轴旋转。

  角动量是飞去来器自旋速率和某一函数的乘积,此函数包含质量与质量分布。例如,想像你要转动载了几个小孩的旋转木马,则所加的力矩是旋转木马的半径与其边缘相切之力的乘积。开始的时候,力矩使旋转木马产生一角加速度,自旋从零增到某一终值。要如何安排这些孩子,使得能以*小的力达到某一给定的角加速度?直觉上,你会把孩子安排在靠近中央的地方。质量当然是相同的,但是对旋转中心來說,质量分布却不同,质量靠近中心时,木马就容易转动。考虑质量与其分布的函数,即所謂转动慣量,质量愈大或离中心愈远,其转动慣量就愈大,要达到某一角加速度所必須施的力就愈大。

  旋转木馬只要一转动,你不再施力於其边缘,因自旋和转动慣量,它就有一角动量,通常是以一垂直转动平面的向量來表示角动量。在这里,此向量必为铅直,其方向(向上或向下)以搭便车的手勢,右手伸直的姆指表示,其他四指循物体旋转之方向捲曲。要改变此向量之大小与方向,就要对物体另施一力矩。如为旋转木马,就在边缘上再加一推力。(如何画出角动量改变之向量,其规定是,右手食指由旋转中心指向施力点,中指则指向施力方向。如令姆指与上二指垂直,自然地它就指向角动量改变之方向。新的角动量向量为先前向量与其改变向量二者之和。)在旋转木马边缘加一切线力,新的角动量向量仍为铅直,而其增大或減小依旋转木马欲变快或变慢之目的而定。

  旋转中的飞去来器有二个力矩施於臂上,一个是由上臂平均升力所产生;另一个则为下臂之平均升力所产生。因为上臂之升力较大,就以它来決定角动量,因此将不计下臂之升力(如果加上较小之升力,结果亦同)。假想以右手拋出飞去来器后,它逐渐远去,在铅直面上自旋,角动量的向量向左指,当飞去来器继续飞行时,上臂之平均升力产生的力矩,就会改变角动量向量的方向。要決定向量的改变方向,可以右手手指的适当指向來表示。食指从飞去来器中心指向上臂之中心,中指指向上臂升力之方向(即你的左方),则伸直的姆指就指向你。因此,表角动量改变的向量就指向你。用俯瞰的方式*能看出向量改变与原向量的和,向量改变与原向量垂直,合成一新向量,方向比原向量更指向你。因为向量改变与原向量垂直,角动量的大小不变,只是方向改变了,使它绕一铅直轴旋转。这种角动量方向的旋转称为进动,可由陀螺的轴绕铅直轴旋转看出來。

  另一进动的通俗例子是摩托车的转弯,摩托车轮的转动速率甚大,有够大的转动慣量使得角动量很大。要使摩托车转动,不能像单车转弯一样,只是转动把手,还要使摩托车向转弯的方向傾斜。摩托车受到的力矩,使车轮的角动量产生进动,才能使整个摩托车转弯。在自旋平面的进动时,飞去来器以某一速率沿一路径飞行,但不断地受到水平升力而转向。因而路径接近一圆周。

  在一成功的飞行中,飞去来器自旋平面的进动速率,与其绕一圓周路径之速率同步,其攻角略維持一正值。使攻角维持一适当的值,在此种速率同步的配合上是必須的。假设飞去来器进动大慢,则当它在路径上飞行時,其绕一铅直轴旋转的自旋平面转速,较镖身整体沿路径飞行之速率為慢。自旋平面落后时,其攻角逐渐地变负,飞去来器就失去升力。如自旋平面旋转得太快,其绕铅直轴之转速就较镖身整体沿大圓路径飞行之速率为快。结果攻角就逐渐变正,直到自旋平面与接近的气流垂直,於是飞行即被气障破坏无遺。进动率与飞去来器沿大圓路径飞行的速率,两者的吻合并不难,事实上,在某种程度来說,还是自动完成的,因为二者都靠升力。拋掷飞去来器,用砂紙磨,并改造镖臂,再试掷,直到几乎吻合而飞去来器能回飞为止。

  飞去来器之圆周路径与拋掷它的速率无关,只有转动慣量和飞去来器的截面形状,才能決定飞行路径的半径。因此一个飞去来器,不管你用力多大(在假定的铅直面上作相同的投掷);其路径总是不变的(当然,假设用的力足以飞程)。如果要改变圓周路径的大小,通常必须换个不同转动慣量或截面形状的飞去来器。然而也可以在镖臂加上载物來增加转动慣量,这种技巧是想打破拋远纪录的人用的。飞盘也是以同样的方式飞行。它有一个弯曲的顶面,以手腕的扭甩使其旋转,由空气的撞击或经由上下表面气流速度之不同而获得升力。飞盘适当地在几乎铅直的平面拋掷,也会像飞去来器一样的回飞。可是,飞盘通常是稍微弯曲地拋給另一個人,因此拋掷者只要定个自旋平面,给与足够达到此一弯曲路径的水平升力就成了。飞去来器和飞盘都可轻触地面而不影响飞行。假想飞盘以前缘向下微傾,掠地而过。前缘擦到地上,地面与飞盘的接触点給予飞盘一力矩,并改变其角动量,但此改变向量几乎和原來的角动量垂直,所以新的角动量是由原先的向量旋转而得。除了方向,角动量的值改变并不大,因此飞盘并不会慢多少,只是重新定向,朝新方向飞行罢了。

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