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司古的博客

思想的历程

 
 
 

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图解回旋镖  

2008-02-28 16:51:31|  分类: 杂七杂八 |  标签: |举报 |字号 订阅

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                                                                              司古

最初的发现

1770年,英国詹姆斯·库克船长(James Cook)完成环游世界的航行回到英格兰,他带回了一件澳大利亚当地土著使用的“原始木剑”,他认为这是当地人的重要狩猎和作战武器,并将其作为一件新奇的战利品带回英国。与他同行的植物学家约瑟夫·班克斯(Joseph Banks)也把这种接近半圆形的弯曲木制片状工具描述成类似“阿拉伯弯刀”似的武器。这些早期的探险者都认为自己发现了“原始弯刀”,但实际上他们不知道自己究竟发现了什么。

                                   

                         最初见到回旋镖的英国探险家库克船长,他把回旋镖当作是原始人的“木剑”

直到1802年11月,一位法国出生的新南威尔士军少尉弗朗西斯·巴莱利尔(Louis Barrallier)在悉尼以西的蓝山地区看到了令人吃惊的一幕:一名土著把“木制弯刀”高高地抛向空中,它竟然在空中划出完美的圆形轨迹,又稳稳地飞回土著手中!这种令欧洲人惊诧不已的奇妙东西,就是我们今天所知的回旋镖(又名飞去来器)。

“回旋镖”,英文称为“Boomerang”(其名称来源于澳洲土著语言),通常由呈香蕉形状的两翼构成,但是今天回旋镖的形状已经不止于此,有些有三个或者更多的翼面。普通回旋镖长度大约为30-60厘米,如果投掷方法正确,回旋镖能够在空中飞出漂亮的圆形轨迹并且回到最初的起点。实际上回旋镖并非如传说中所说的那样被土著用于猎杀鸟兽——它们很难瞄准,而且命中目标也会破坏其回归路径,其回旋功能也就没有什么意义。实际情况是,澳洲土著用来狩猎的飞镖虽然形状和回旋镖类似,但其并不能飞出闭合路线,我们可以把这种飞镖称为“飞旋镖”。虽然飞旋镖不能做回旋飞行,但是其弯曲的形状却有利于稳定飞行和瞄准,能够以较高的速度飞行较远的距离。

                    

                  实际上土著并不用回旋镖猎杀鸟兽,因为它不易瞄准,他们狩猎使用的飞旋镖外形

                  与之相近,但并不能完成闭合轨迹

归来的奥秘

回旋镖如何能够完成如此奇妙的飞行轨迹?这个问题必须一步一步加以分析。首先让我们来看看回旋镖的形状,回旋镖的两翼具有特殊的形状:其一面较为突起,另一面则比较平坦,换句话说,在旋转过程中流经回旋镖的两翼上下表面的空气的速度是不同的,下表面的空气流速要低于上表面,这一特点和机翼比较类似。回旋镖抛出后,在获得向前初速度的同时,还以两翼连接点为中心进行自旋。旋转的回旋镖两翼在空气中产生的效果也和机翼相同——受到空气的升力作用。那么如果把回旋镖竖直向前抛出,两翼受到升力的方向也就会变成向左或右的侧向力。现在我们把旋转的问题加入考虑,回旋镖在向前飞行的同时还进行自旋,那么其处于上方的翼面相对于空气的速度显然应该等于回旋镖飞行速度加上上翼面旋转线速度,而处于下方的翼面相对于空气的速度则等于回旋镖飞行速度减去下翼面旋转线速度。简言之,就是说回旋镖上下两个翼面相对于空气的运动速度不同,显然上翼面的速度要远大于下翼面,根据空气动力学原理,升力的大小和相对于空气的速度成正比,那么上翼面受到的升力就会大于下翼面。回旋镖抛出时并非绝对竖直,而是与铅垂线有一定的外倾角,这就意味着,回旋镖两翼产生的升力的在竖直方向上的分力可以维持回旋镖的平飞乃至上升,而升力在水平方向上的分力则是回旋镖神奇路线形成的一个重要因素,现在我们离答案已经不远了。

                      

                                       回旋镖各部分剖面示意图,可见其剖面类似机翼的截面

                               

                             2000年悉尼奥运会的会徽就是由三枚回旋镖构成的运动员形象,澳大

                             利亚人将回旋镖看作是自己国家的象征物之一

                     

                                                澳大利亚市场上出售的普通木质两翼回旋镖

                         

                                                               外形颇为现代的三翼回旋镖

要继续解释回旋镖的神奇路线,就必须注意到这个飞快旋转的家伙,不要忘记旋转体和陀螺一样,具有进动性,也就是说旋转体在受到外力矩的作用下,能够产生与这个力矩方向垂直的进动旋转力矩。现在回过头来看看回旋镖,其上方翼面产生的升力总大于下方翼面,这会给回旋镖施加一个向左或向右的倾倒力矩,如果回旋镖不是在旋转,在这种力矩的作用下就会很快倾倒,但现在的回旋镖相当于一个飞转的陀螺,进动性会使回旋镖产生一个与倾倒力矩垂直的进动转向力矩,这样回旋镖不仅不会倾倒,还会在进动力矩的作用下向左或向右转向。一旦回旋镖发生转向,那么就会引发“连锁反应”——翼面升力的水平分力方向也随之发生转向,而不断转向的水平分力恰好为回旋镖的圆周飞行运动提供了向心力,于是乎,回旋镖就能够不断在进动力矩作用下发生转向,同时完成一个完美的闭合圆形路线。

                                        

                                      回旋镖握持方法示意图,其旋转面应与铅垂线成一定夹角

                  

                                                              回旋镖运动原理示意图

                       

                                                                 回旋镖投掷方法示意图

说到这里,想起了小学伙伴们经常自制的一个玩具,把两个塑料直尺用橡筋捆绑成十字形,用接近竖直的角度抛出去,这东西也能完成接近圆形的航线,十分有趣,如今细细想来,其原理正和回旋镖相同。如果能够把模型飞机上用的三叶或四叶螺旋桨竖直抛出,其飞行路线应该和回旋镖相近,因为回旋镖本质上就是一副用特殊方式抛出的“螺旋桨”,至于螺旋桨究竟有几枚叶片,那都无伤大雅,这也正是今天我们能够看到形状各异的回旋镖的原因。

历史溯源

                     

                                             今天在澳大利亚回旋镖是相当受欢迎的运动项目

回旋镖究竟是如何发明的?人类学家们认为,回旋镖的发明很可能是一种试验或者阴差阳错的产物。

我们知道,最开始人们使用石块和木棍作为原始工具。最早的工具是木棍,而把它们抛向猎物或敌人或许是人类对这种工具的一种偶然“扩展应用”。从概率上讲,自然界中的木棍自然是弯曲的比直形的多,人们很快发现,弯曲的棍子在飞行中由于容易形成自旋而具有较好的稳定性,留空时间更长而且更容易命中目标。于是人们便开始注意利用弯曲的棍子并对其进行加工,这种行为导致了后来狩猎工具飞旋镖的产生。飞旋镖在世界上许多地区都有发现,世界上最为古老的飞旋镖是在波兰发现的,迄今已有约20000年的历史。

                          

                                             1976年的回旋镖比赛中选手正在接住回旋镖

至于回旋镖,学者们估计,其最可能的出现原因可能是由于澳洲土著加工飞旋镖过程中的偶然发现——可能是哪位粗心的老兄把飞旋镖的翼型弄得“走了样儿”。但是这种新发现对于狩猎并没有更多的帮助——回旋镖的飞行方式使它们难以精确瞄准——但是其飞行路线却让土著非常着迷。毫无疑问,澳大利亚土著完善了回旋镖的设计及投掷技术,从那时起回旋镖就逐渐成为一种运动工具。标准的回旋镖游戏是看谁能够把回旋镖抛得更远并且能够在其飞回时轻松接住。回旋镖虽然无法直接用于狩猎,但是澳洲土著也为他们在狩猎中找到了用武之地:他们在林中支起捕鸟网,然后把回旋镖抛向空中,回旋镖划过空气产生的呼啸让栖息在林中的鸟类十分惊恐,纷纷起飞逃窜,其中不少就会糊里糊涂地一头撞进网里。

                                       

                                      2006年回旋镖世界杯比赛中一位选手正在表演背后接镖

中国古代玩具“竹蜻蜓”相信大家都不陌生,它由两片像飞机机翼的竹片和一根位于中心的细竹棍构成,操作时两翼平行地面,使其正确旋转则“竹蜻蜓”竖直上升。其实如果我们取走细竹棍,再让“竹蜻蜓”的两翼夹角略微小于180度,那么它就会变成回旋镖。此外,中国曲艺节目中常能见到的飞帕技术,演员将转动的手帕向前上方抛出,手帕会在飞行一段后返回并被表演者接住,其中的道理和回旋镖飞行的原理相似。

                    

                  这可不是什么霓虹灯,而是一端装有曳光管的回旋镖在悉尼夜空中划出的美丽曲线

飞去来兮

回旋镖虽然具有特殊的飞行特点,但是要真正让一枚回旋镖乖乖地从你的手中飞出并顺从地回来可绝非易事。如今澳大利亚就专门成立有回旋镖协会,专门组织各种关于回旋镖的比赛,最为隆重的赛事当属回旋镖世界杯比赛,来自世界各地的选手们会在比赛中一决雌雄,谁能把回旋镖抛出更远的距离,留空时间更长,形成完美的飞行轨迹,并且能够以娴熟的动作和技法接住,成为决定比赛成绩的决定要素。有些回旋镖高手可以连续数百次抛出回旋镖并稳稳接住,仅澳大利亚新南威尔士州的纪录就已经达到566次。

                      

                                                                 回旋镖飞行轨迹示意图

                                                        

                           这位选手接镖的动作更绝,三翼回旋镖中间的圆孔稳稳套在他的手臂上

按照澳大利亚回旋镖协会推荐的方法,标准的回旋镖投掷方法应该是将回旋镖的一翼尖端握在手中,保证上翼的较厚的前缘向前,回镖旋平面也不能完全竖直,应该保持和铅垂线成10-30度夹角,这样回旋镖翼面产生的气动力就能够提供维持飞行的升力和进行回旋的向心力。回旋镖抛出的方向不应该是水平的,而是应以10度左右的高度角向前上方抛出,同时还要注意投掷前应该使回旋镖上部尽量后倾,以便赋予回旋镖适宜的旋转初速度。在有风的条件下,回旋镖应该基本保持迎风并呈一定夹角。这样才能保证回旋镖投掷的成功。严格地说,回旋镖似乎是人类制造的最早的飞行器(当然是无人“驾驶”的)。一块木头竟然能够演绎如此之多的物理知识。对于那些喜爱物理,尤其是喜爱航空的人,回旋镖是一个非常有趣的话题,作为历史上最为特别的玩具之一,回旋镖可以告诉我们很多很多。

                     

                                                澳大利亚特色的钥匙链——回旋镖造型!

                                 

                                                回旋镖是一种颇具魅力的玩具和运动器械

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