飛去歸來“回旋鏢”

阿拉伯彎刀

1770年，英國詹姆斯·庫克船長完成環(huán)游世界的航行回到英格蘭，他帶回了一件澳大利亞當(dāng)?shù)赝林褂玫摹霸寄緞Α?，認為這是當(dāng)?shù)厝说闹匾鳙C和作戰(zhàn)武器，并將其作為一件新奇的戰(zhàn)利品帶回英國。與他同行的植物學(xué)家約瑟夫·班克斯也把這種接近半圓形的彎曲木制片狀工具描述成類似“阿拉伯彎刀”似的武器。這些早期的探險者都認為自己發(fā)現(xiàn)了“原始彎刀”，但實際上他們不知道自己究竟發(fā)現(xiàn)了什么。

直到1802年11月，一位法國出生的新南威爾士軍少尉弗朗西斯·巴萊利爾在悉尼以西的藍山地區(qū)看到了令人吃驚的一幕：一名土著把“木制彎刀”高高地拋向空中，它竟然在空中劃出完美的圓形軌跡，又穩(wěn)穩(wěn)地飛回土著手中！這種令歐洲人驚詫不已的奇妙東西，就是我們今天所知的回旋鏢（又名飛去來器）。

“回旋鏢”，其名稱來源于澳洲土著語言，通常由呈香蕉形狀的兩翼構(gòu)成，但是今天回旋鏢的形狀已經(jīng)不止于此，有些有三個或者更多的翼面。普通回旋鏢長度大約為30~60厘米，如果投擲方法正確，回旋鏢能夠在空中飛出漂亮的圓形軌跡并且回到最初的起點。實際上回旋鏢并非如傳說中的那樣被土著用于獵殺鳥獸——它們很難瞄準(zhǔn)。實際情況是，澳洲土著用來狩獵的飛鏢雖然形狀和回旋鏢類似，但其并不能飛出閉合路線，我們可以把這種飛鏢稱為“飛旋鏢”。雖然飛旋鏢不能做回旋飛行，但是其彎曲的形狀卻有利于穩(wěn)定飛行和瞄準(zhǔn)，能夠以較高的速度飛行較遠的距離。

歸來的奧秘

回旋鏢為何能夠完成如此奇妙的飛行軌跡？這個問題必須一步一步加以分析。首先讓我們來看看回旋鏢的形狀，回旋鏢兩翼具有特殊的形狀：如中國的“竹蜻蜓”，其一面較為突起，另一面則比較平坦，但兩翼夾角小于180°，在旋轉(zhuǎn)過程中流經(jīng)回旋鏢的兩翼上下表面的空氣速度是不同的，下表面的空氣流速要低于上表面，這一特點和機翼比較類似?；匦S拋出后，在獲得向前初速度的同時，還以兩翼連接點為中心進行自旋。旋轉(zhuǎn)的回旋鏢兩翼在空氣中產(chǎn)生的效果也和機翼相同——受到空氣的升力作用。那么如果把回旋鏢豎直向前拋出，兩翼受到升力的方向也就會變成向左或向右的側(cè)向力?，F(xiàn)在我們把旋轉(zhuǎn)的問題加入考慮，回旋鏢在向前飛行的同時還進行自旋，那么其處于上方的翼面相對于空氣的速度顯然應(yīng)該等于回旋鏢飛行速度加上上翼面旋轉(zhuǎn)線速度，而處于下方的翼面相對于空氣的速度則等于回旋鏢飛行速度減去下翼面旋轉(zhuǎn)線速度。簡言之，就是說回旋鏢上下兩個翼面相對于空氣的運動速度不同，顯然上翼面的速度要遠大于下翼面，根據(jù)空氣動力學(xué)原理，升力的大小和相對于空氣的速度成正比，那么上翼面受到的升力就會大于下翼面?；匦S拋出時并非絕對豎直，而是與鉛垂線有一定的外傾角，這就意味著，回旋鏢兩翼產(chǎn)生的升力在豎直方向上的分力可以維持回旋鏢的平飛乃至上升，而升力在水平方向上的分力則是回旋鏢神奇路線形成的一個重要因素，現(xiàn)在我們離答案已經(jīng)不遠了。

要繼續(xù)解釋回旋鏢的神奇路線，就必須注意到這個飛快旋轉(zhuǎn)的家伙，不要忘記旋轉(zhuǎn)體和陀螺一樣，具有進動性，也就是說旋轉(zhuǎn)體在受到外力矩的作用下，能夠產(chǎn)生與這個力矩方向垂直的進動旋轉(zhuǎn)力矩?，F(xiàn)在回過頭來看看回旋鏢，其上方翼面產(chǎn)生的升力總大于下方翼面，這會給回旋鏢施加一個向左或向右的傾倒力矩，如果回旋鏢不是在旋轉(zhuǎn)，在這種力矩的作用下就會很快傾倒，但現(xiàn)在的回旋鏢相當(dāng)于一個飛轉(zhuǎn)的陀螺，進動性會使回旋鏢產(chǎn)生一個與傾倒力矩垂直的進動轉(zhuǎn)向力矩，這樣回旋鏢不僅不會傾倒，還會在進動力矩的作用下向左或向右轉(zhuǎn)向。一旦回旋鏢發(fā)生轉(zhuǎn)向，那么就會引發(fā)“連鎖反應(yīng)”——翼面升力的水平分力方向也隨之發(fā)生轉(zhuǎn)向，而不斷轉(zhuǎn)向的水平分力恰好為回旋鏢的圓周飛行運動提供了向心力，于是乎，回旋鏢就能夠不斷在進動力矩作用下發(fā)生轉(zhuǎn)向，同時完成一個完美的閉合圓形路線。

說到這里，想起了小學(xué)伙伴們經(jīng)常自制的一個玩具，把兩個塑料直尺用橡筋捆綁成十字形，用接近豎直的角度拋出去，這東西也能完成接近圓形的航線，十分有趣，如今細細想來，其原理正和回旋鏢相同。如果能夠把模型飛機上用的三葉或四葉螺旋槳豎直拋出，其飛行路線應(yīng)該和回旋鏢相近，因為回旋鏢本質(zhì)上就是一副用特殊方式拋出的“螺旋槳”，至于螺旋槳究竟有幾枚葉片，那都無傷大雅，這也正是今天我們能夠看到形狀各異的回旋鏢的原因。

歷史的溯源

回旋鏢究竟是如何發(fā)明的？人類學(xué)家們認為，回旋鏢的發(fā)明很可能是一種試驗或者陰差陽錯的產(chǎn)物。

我們知道，最開始人們使用石塊和木棍作為原始工具。最早的工具是木棍，而把它們拋向獵物或敵人或許是人類對這種工具的一種偶然“擴展應(yīng)用”。從概率上講，自然界中的木棍自然是彎曲的比直形的多，人們很快發(fā)現(xiàn)，彎曲的棍子在飛行中由于容易形成自旋而具有較好的穩(wěn)定性，留空時間更長而且更容易命中目標(biāo)。于是人們便開始注意利用彎曲的棍子并對其進行加工，這種行為導(dǎo)致了后來狩獵工具飛旋鏢的產(chǎn)生。飛旋鏢在世界上許多地區(qū)都有發(fā)現(xiàn)，世界上最為古老的飛旋鏢是在波蘭發(fā)現(xiàn)的，迄今已有約20 000年的歷史。

至于回旋鏢，學(xué)者們估計，其最可能的出現(xiàn)原因可能是由于澳洲土著加工飛旋鏢過程中的偶然發(fā)現(xiàn)——可能是哪位粗心的老兄把飛旋鏢的翼型弄得“走了樣兒”。但是這種新發(fā)現(xiàn)對于狩獵并沒有更多的幫助——回旋鏢的飛行方式使它們難以精確瞄準(zhǔn)——但是其飛行路線卻讓土著非常著迷。毫無疑問，澳大利亞土著完善了回旋鏢的設(shè)計及投擲技術(shù)，從那時起回旋鏢就逐漸成為一種運動工具。標(biāo)準(zhǔn)的回旋鏢游戲是看誰能夠把回旋鏢拋得更遠并且能夠在其飛回時輕松接住?；匦S雖然無法直接用于狩獵，但是澳洲土著也為他們在狩獵中找到了用武之地：他們在林中支起捕鳥網(wǎng)，然后把回旋鏢拋向空中，回旋鏢劃過空氣產(chǎn)生的呼嘯讓棲息在林中的鳥類十分驚恐，紛紛起飛逃竄，其中不少就會糊里糊涂地一頭撞進網(wǎng)里。

中國古代玩具“竹蜻蜓”相信大家都不陌生，它由兩片像飛機機翼的竹片和一根位于中心的細竹棍構(gòu)成，操作時兩翼平行地面，使其正確旋轉(zhuǎn)則“竹蜻蜓”豎直上升。其實如果我們?nèi)∽呒氈窆?，再讓“竹蜻蜓”的兩翼夾角略微小于180度，那么它就會變成回旋鏢。此外，中國曲藝節(jié)目中常能見到的飛帕技術(shù)，演員將轉(zhuǎn)動的手帕向前上方拋出，手帕?xí)陲w行一段后返回并被表演者接住，其中的道理和回旋鏢飛行的原理相似。

飛去歸來兮

回旋鏢雖然具有特殊的飛行特點，但是要讓一枚回旋鏢從你的手中飛出并又乖乖地回到你的手上可絕非易事。如今澳大利亞就專門成立回旋鏢協(xié)會，專門組織各種關(guān)于回旋鏢的比賽，最為隆重的賽事當(dāng)屬回旋鏢世界杯比賽，來自世界各地的選手們會在比賽中一決雌雄，誰能把回旋鏢拋出更遠的距離，留空時間更長，形成完美的飛行軌跡，并且能夠以嫻熟的動作和技法接住，成為評判比賽成績的決定要素。有些回旋鏢高手可以連續(xù)數(shù)百次拋出回旋鏢并穩(wěn)穩(wěn)接住，僅澳大利亞新南威爾士州的紀(jì)錄就已經(jīng)達到566次。

按照澳大利亞回旋鏢協(xié)會推薦的方法，標(biāo)準(zhǔn)的回旋鏢投擲方法應(yīng)該是將回旋鏢的一翼尖端握在手中，保證上翼較厚的前緣向前；回鏢旋平面也不能完全豎直，應(yīng)該保持和鉛垂線成10~30度夾角，這樣回旋鏢翼面產(chǎn)生的氣動力就能夠提供維持飛行的升力和進行回旋的向心力?；匦S拋出的方向不應(yīng)該是水平的，而是應(yīng)以10度左右的高度角向前上方拋出，同時還要注意投擲前應(yīng)該使回旋鏢上部盡量后傾，以便賦予回旋鏢適宜的旋轉(zhuǎn)初速度。在有風(fēng)的條件下，回旋鏢應(yīng)該基本保持迎風(fēng)并呈一定夾角，這樣才能保證回旋鏢投擲的成功。

嚴格地說，回旋鏢似乎是人類制造的最早的飛行器（當(dāng)然是無人“駕駛”的）。一塊木頭竟然能夠演繹如此之多的物理知識。對于那些喜愛物理，尤其是喜愛航空的人，回旋鏢是一個非常有趣的話題，作為歷史上最為特別的玩具之一，回旋鏢可以告訴我們很多很多。