一根转动的圆筒能有什么用?可以用它来代替机翼船帆
在我们的印象当中,飞机和帆船的形象就如下面几幅图
一般来说,飞机如果没有机翼,那么它是无法升空的;而帆船一旦没有帆,就意味着不能免费的使用自然风作为动力,这样一来,燃料或人力成本将会大幅上升,这些道理都是显而易见的,但另一方面,大家对于飞机机翼以及帆船的船帆,是不是已经有一种固定思维,似乎机翼和船帆就应该长这样?
实际上还真不是这样,只能说这样的机翼和船帆是最常见的,比如下面两幅图
第一幅是一架水上飞机,第二幅是飞机爱好者做的一架遥控飞机,我们可以明显的看到,飞机上原本应该装着扁平机翼的地方,都换成了大圆筒;第三幅图则是在一条大货轮,上面立着两根庞大的圆筒。这些大圆筒发挥了原本机翼和船帆的作用。那么这些圆筒是如何工作的呢?
是不是只需要安装在那,一动不动就行了?很显然这是不可能的,否则何必把机翼和船帆换下来呢?可是这些圆筒到底有什么作用呢?估计不少朋友都很好奇这一点。
首先,这些圆筒的工作方式就是一个字——转,绕着各自的筒轴旋转。说到这,估计大家就更好奇了,这些圆筒的工作就是旋转?难道转起来,就能把飞机带飞,货轮带跑吗?
没错,还真是这样,那么这背后的原理又是什么呢?我们先来回顾一下飞机机翼以及帆船的船帆是如何起作用的
飞机机翼
一般来说,在介绍飞机如何升空时,都会说是飞机的机翼提供了升力,而这个升力则是由于机翼上下两面的压力差导致的,而压力差则是通过伯努利方程给出的,虽然这种解释已经流行的很多年,并且在很多篇科普文章中都是这么介绍的。
实际上这并不是飞机能够升空的本质原因,详细原因请看这篇文章飞机为什么能飞起来?直到今天,科学家仍然没有答案
小编以前在上中学时就看过类似文章(出自一本国外科学家写的书,作者对很多科学理论都做了不少深刻独特的看法,可惜小编已经完全忘记书名是什么了)。
不过,作为科普,还是讲伯努利方程比较好,虽然飞机升空的主要原因并不是伯努利方程能够解释的,但无论如何还是少不了机翼或者类似形状部件的作用(火箭、导弹那种升空可以另作一谈),因此从科普角度来说,这样的解释还是比较好的,不能要求太高了,毕竟本质原因也还没个定数。
船帆
船帆的作用就很容易了,借助于风力,不断改变船帆的状态,可以使得船只在顺风,甚至是逆风的情况下前进(这些过程可以用力学规律,比如动量定理等等去解释)
我们发现,不论是飞机机翼还是帆船的船帆,它们的核心作用就是为主体提供了一个力,这个力可以使飞机升空,使船只移动,而这个力同样可以由旋转的圆筒提供。下面我们就来看看旋转的圆筒到底是怎样起作用的吧
先来看一幅动图
一个人将篮球从一个大坝上扔下去,注意一点,在扔的时候,他将篮球转了起来,也就是说篮球在重力的作用下,是边降落边旋转的,结果发现,篮球并不是按照我们想象中的以一条近似垂直的路线落到底部,而是以一段很大的弧线路径降落的,最后"飘"落到湖面,甚至还打了个水漂。
我们将这个过程简化为下图
篮球下落的时候,是迎风的,也就是运动方向与风向是相反的,而篮球是顺时针旋转的(逆时针顺时针是取决于观察角度的),由于篮球旋转时,本身就会带动周围附近的空气跟着一块旋转,此时就会出现一种情况,由于篮球运动方向与风向相反,那么在篮球一侧的风速就会略微增强,而篮球另一侧的风速会略微减少。
在得到这一点后,再应用伯努利方程,流速快的地方,压强要小于流速慢的地方,因此篮球左侧的风压就会大于右侧,于是一股垂直于运动方向的力就出现了,此时我们再回到篮球从大坝坠落时的场景,由于篮球除了重力、阻力外,还受到了一股力,因此篮球就以一种大弧线的运动路径降落了。
我们把这个现象称为马格努斯效应。此时我们将马格努斯效应用于圆筒形机翼和船帆上
对于飞机机翼,当飞机引擎提供了一股推力之后,飞机在跑道上滑行,那么对于圆筒机翼来说,就有了一股与其运动方向相反的风,此时旋转圆筒,马格努斯效应产生,作用在机翼上由一股升力产生,于是飞机被拉起
对于船只来说,设想一股横风吹过船只,同样的道理,启动圆筒旋转,一股推力产生,帮助船只运行,实际上这种利用马格努斯效应的船只,能够可观的减少燃料的消耗量(与船只的航行速度成反比,这一点很好理解,比如船只的桨叶停止工作,只转动圆筒,那么在风力的作用,船只也会缓慢的前行)
这种利用马格努斯效应辅助航行的船只,最早出现在上世纪二十年代,不过在当时并没有引起多大反响,直到八十年代以后,才有公司将其应用于大型货轮以及油轮身上。
其实马格努斯效应在生活中并不罕见,比如下面这个小玩具,将其吹转起来
再比如足球运动员踢出的香蕉球也是利用的这个效应
本篇文章的内容到此结束。
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