神医谷的电视剧全集:回旋镖 制作方法
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回旋镖 制作方法2008-12-07 16:02 回旋镖实在是最奇异的武器或玩具,它是澳洲土人与其它地方的人各自在无意中发明的。如果你抛掷一截木棍,它在不远处就会落地;但是回旋镖却可往返飞行近二百公尺,而且由高手瞄准,还可射中猎物或敌人。回旋镖可能出于原设计为直飞的武器,但许多人发现,被澳洲人当作玩具的可回转飞镖更为有趣。相反的,在空气动力学上,直行飞镖却比回旋镖要来得复杂。虽然两种飞镖都很古老,业余研究者在了解两者的飞行上仍然大有可为。
虽然在体育用品社偶尔可以买到好的回旋镖,但因为大量制造,大部分都很差劲,事实上,有些回旋镖甚至一去不返。
如果你要作回旋镖实验,必须自己做一个。只有这样,你才会知道何种因素影响回旋镖的飞行,而作必要的修改。制造回旋镖最好的材料,是由波罗的海赤杨所做成适于造舰艇或飞机的五层(或更多层)夹板,厚度1/4~3/8吋。这种型式的回旋镖耐磨且防水,密度又大,且比同型的他种镖为重。
用厚纸板剪出所要的回旋镖样式,史密斯(H. Smith)设计的回旋镖(见图一)是一个例子(如果你惯用左手,那么就要做一个左手用的回旋镖,也就是图一在镜中的像)。
把剪出来的样式放在夹板上,用铅笔描出轮廓,然后用线锯或小锯子锯除空白的部分。此时应照图示大约决定回旋镖的外型(除了斜切前缘外,底部不动),要前缘钝,后缘锋利,顶面斜接平坦的底部。因回旋镖两臂的提升作用与机翼相同,故两臂截面的形式必须有传统机翼的形状。
用老虎钳夹住夹板的空白处,以弯形锉刀锉出边缘与顶部,再用一张裹住软木的粗砂纸磨平锉刀的凹痕,并磨出回旋镖的外观。在用较细的砂纸加工以前,应该先试飞一下,以便用锉刀或粗砂纸再整修一番。整修的意思是,你应该一再地试抛,一再地用锉刀或砂纸锉磨,直到它飞得尽如人意。
强风中不宜抛掷回旋镖;如果是弱风,则人先面对风向,再右转45°掷出。掷出前握镖的要领是,垂直握住回旋镖一臂(任何一臂都无所谓)的顶端(见图二),底部朝外;手移到脑后,向地平线掷去,手臂完全伸直时,手腕要往前扣。刚开始不要太用力,真正要紧的是扣的力道而非掷力,也就是扣力使回旋镖旋转,而能在空中飞行。
回旋镖的指向(即自旋的平面)随风的状况与镖的形式而不同。要飞得好,必须使回旋镖飞行的平面几近铅直;其它的情形就必须转动飞行面(将回旋镖顶端向外倾斜),可多达45°。倾斜角度愈大,回旋镖爬升力就愈大。如果一开始升力就太大,爬升得太快,则容易坠地而破裂。
正常的飞行状况下(见图三),回旋镖贴着水平面绕一想象的圆弧飞行,回程时,可能会翱翔甚或回旋一下才在脚边落地。幸运的话,落地前可能还会额外的画一两个圈(小于原来的圈)。虽然回旋镖的旋转面是几近铅直抛出,但它却可能以几近水平的旋转面飞回。何以飞完全程,回旋镖的平面却会翻转过来?下面将有所解释。
如果在微风中,回旋镖一直落在身旁右边,那么试着往来风稍左掷出;同样的,如果落在左边,就试着往稍右掷出。要是落在身后,试着以较小力道抛掷;如果还是没有用,那么自旋面倾斜得少一点,再往水平面稍上方抛出。如果当日无风,就以较大角度的倾斜自旋面抛掷,以获得较大之升力。
小心不要让回旋镖伤到人或损坏物品,它很可能成为武器。只能在较大的空间抛掷,如果有人在场,让他们知道你在做什么以便闪躲。
要成功地整修回旋镖,需要经验和运气。一般来说,如果回旋镖的上表面较弯曲,它的升力较大,也就是说飞回时所画的圆弧较小。反之,上表面平一些或下表面弯一些,回旋镖升力就较小,如此,回旋镖两臂的截面形状就比较不像传统的机翼。如果回旋镖飞到半空中就下跌,原因可能是镖臂上过量的空气拖力阻碍旋转。将回旋镖的某表面弄粗糙,可能对其飞行有所帮助,但是锉刀留下的大凹槽,必定会产生额外的气障,缩短飞行时间。
与其小心塑造回旋镖臂,不如扭转它,使其飞行时两臂的前缘能将流过的空气往右推,而获得往左的升力。这种改变很容易察觉,如从疾驶的车中把手伸出窗外,则改变手的角度,就可以感觉所受到的升力,要扭转回旋镖,可将它放在华氏四百度的烤炉中慢慢加热,然后(当然要戴上手套)小心的扭转镖臂直到木头冷却。如果弯得太过,再加热扭回一些。
如果回旋镖断裂了,不要把断片丢弃。用环氧基树脂黏合碎片,并夹住直到干燥以后,再用锉刀或砂纸加工成所要的形状。虽然加工后的回旋镖不似先前坚固,但是却会因为破裂而改变质量分布,使飞行轨迹变得十分有趣。
回旋镖并不限于两臂者,事实上最简易的形式,是两支直尺在尺身中央正交所组成的四刃回旋镖(见图四)。标准的直尺是上表面弯曲,而下表面几近平坦。欲组合这种直尺,可用强轫的橡皮筋缚住,或以螺丝钉穿过尺身中心已打就的小洞。抛掷的方式和两臂回旋镖相同,但小心不要被尖锐的边缘割伤,而且,不要用铁边的直尺。
简单的交叉回旋镖可用五吋见方的厚纸板剪成。剪出三刃或四刃的回旋镖,轻扭使各刃不在同一平面。在回旋镖臂上加点重量,可增加飞行距离。如果是厚纸板回旋镖,则可在各臂末梢夹上纸夹,以增加重量。这样的回旋镖可在教室里示范,如果教室不够大,则可以再扭转各臂或沿各刃中心线扳弯各臂,以缩短飞行距离。后者的技巧可使回旋镖臂有一夸张的机翼形状──至少有一边是尖锐的凸出,另一边则否。通常,抛掷回旋镖时,凸出的一面要向着自己。从几乎平坦的回旋镖臂渐趋机翼形状,升力也会增加;其路径就循着一个更紧缩的圆弧。
等掷的技术不错以后,你可能会想去接住它,结果可能会削伤手指。如果真想按住回旋镖,两手掌要平伸,等回旋镖飞行到最后,还在旋转滑翔时,以两掌将其夹住,手指不要碰到旋转中的镖刃。
回旋镖回飞的原因,主要在镖臂的截面形状及其自旋。没有这两点特性,回旋镖就和其它丢出去的木棍没有两样。镖臂的截面形状使回旋镖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,回旋镖和陀螺一样,其自转轴也绕铅直线旋转。升力及稳定性使回旋镖上升,而其自旋轴之转动则令回旋镖回飞。
欲了解升力,可以传统机翼的简单模型来解释。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(见图五)。
其理由可将流过的空气分为两类来看,一类是气流中没有回旋,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。
此二理想化气流重迭,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(此种差别对升力十分重要),故机翼上方之压力小于下方,因此机翼获得向上之推力。(实际机翼之气流形态,较此简易模型要复杂得多,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倾斜,使气流正射在弯曲的顶部,升力当然会减小,这种入射方式叫负攻角(negative angle of attack﹐见图六)。
升力减小的缘故是入射气流有施于上表面的下压力;也可说部分升力消失是因为气流回绕机翼的趋势减弱,而且机翼上下的气流速率差减少了。
相反的,如果机翼倾斜,使气流稍微正射平坦的底部,这种情况就叫正攻角(positive angle of attack),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,所以回旋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。这种形状通常包括回旋镖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最好。有些回旋镖两边都是平的,但在飞行中,以扭转镖臂来使气流偏向。
回旋镖与传统机翼之升力有一主要的不同。在最初的飞行中,「升力」几乎是水平的,向上的力只够平衡回旋镖的重量。因为回旋镖绕水平轴旋转,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。为了简化,以下的讨论将不计回旋镖的重量,并假设回旋镖是由惯用右手的人掷出。于是旋转平面在开始时完全铅直,升力朝抛掷者的左方,镖在铅直面上继续旋转而向左飞去。
如果只是这样,回旋镖就永远飞不回来了。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(precession)。
假设回旋镖的一臂已到达最高点,而另一臂几乎在最低点(指的是香蕉形回旋镖)。上臂旋转方向与镖的中心点速度同向,而下臂则反向旋转。流经上臂的空气速率较下臂的快(从镖臂来看),因此上臂产生的升力较大。回旋镖在自旋中,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)会使回旋镖的自旋面倾斜,升力方向朝下(结果损失惨重)。然而实际情形是,升力差使得回旋镖绕一铅直轴旋转,把镖往回带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。令回旋镖绕其中心自旋(事实上,双臂回旋镖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(见图七);
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。
如果回旋镖不自旋,此力矩差只会使其平面倾转。因上臂有较大的力矩,由抛掷者看来,平面呈反时针方向倾转,然而回旋镖是自旋的,结果就大大的不同。因为这样,所以产生了角动量、而自旋平面倾斜之趋向使它自己绕铅直轴旋转。
角动量是回旋镖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,想象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,使得能以最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,但是对旋转中心来说,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,即所谓转动惯量,质量愈大或离中心愈远,其转动惯量就愈大,要达到某一角加速度所必须施的力就愈大。
旋转木马只要一转动,你不再施力于其边缘,因自旋和转动惯量,它就有一角动量,通常是以一垂直转动平面的向量来表示角动量。在这里,此向量必为铅直,其方向(向上或向下)以搭便车的手势,右手伸直的姆指表示,其它四指循物体旋转之方向卷曲(见图八)。
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,而其增大或减小依旋转木马欲变快或变慢之目的而定。