校园网络安全设计:飞行玩具的制作

你说的东西因该叫回旋镖

回旋镖原理与实作
谈起回旋镖,通常一般人的心中便会浮起一幕动画∶原始的土著（或者是传说中的泰山）目视远方的猎物,举起回旋镖朝右前方（假如他是右撇子的话）用力一掷,回旋镖便以优美的曲线飞行,击中猎物后,回旋镖持续这优美的曲线回转至心爱的主人身边,此时主人只需一伸手便能将镖接住.这麼神奇的工具,它到底是谁发明的 是甚麼原因让它自动飞回来的
历史:
可溯至一万五千年以前的石器时代.也许是当时人类常用石棒或骨头丢掷猎物,在无意间发现某些特殊形状的石棒或骨头具有回旋的能力,……………
使用回旋镖:
澳洲的原住民,古埃及人,南美原住民…
——但最古老出土的回旋镖:波兰发现,年代约距今两万年前!
分类:
回旋镖的英文名称为"Boomerang",分为两种:
(1)可回旋（即所谓的回旋镖）
旋转镖通常较重且较长,以增加杀伤猎物的能力.
(2)不可回旋（姑称之"旋转镖"）
为什麼回旋镖可以飞回来呢
——螺旋桨与陀螺仪的混合体
仔细观察两翼面的厚薄,发现两翼并非以中心线镜面对称的.一般称较厚的一端为前缘,而较薄的一端为尾端.由剖面图知,（右手）回旋镖的厚薄配置为:右翼外缘及左翼内侧为前缘,右翼内侧及左翼外缘为尾端.故右手掷镖后,如图回旋镖将逆时针旋转,此时较厚一端将永远在前,而较薄一端则是永远追随其后.
若将回旋镖弯曲的两翼拉直,中心钻个小洞,再插入一根竹棒竹蜻蜓
—直升机螺旋桨旋镖想像成竹蜻蜓的翼面.的螺旋桨或飞机翼的剖面皆如同图三的剖面图,当翼面穿过空气时,上面的空气流被排挤偏离较远,但又与下端空气流同时於尾端结合,如图四所示.以相对於翼面静止的观察者而言,这意味著上面的空气流流速较快,而下面的空气流流速较慢.通常流速快的气压较流速面的气压来得低,此即所谓的"白努利原理 (Bernoulli's principle )"[3],因此翼面感受到一向上的净提升力(lift force).
不过我们都只有见过掉下来的竹蜻蜓,从未见过回转一圈回来的竹蜻蜓,可见此一类比只能解释回旋镖的漂浮能力,而无法完全说明其回转的动力.与回旋镖相似,本身自转而且同时绕著某个中心轴回转的例子,其实大家应不陌生,陀螺(gyroscope)便是这样的典范:当陀螺的中心轴不是铅直而是倾斜时,我们不是常见陀螺整体绕著通过支点的铅直线打转吗 这便是所谓的"进动(precession)"[3],如图五所示.又若陀螺本身没有自转,则当陀螺倾斜时,重力不再与中心轴平行,陀螺便会有倾倒的趋势.另一
图五,陀螺的进动
方面,重力所造成的倾倒运动又可视为陀螺质心以支点为圆心的转动,故我们又可称此时有一转动的趋势,物理学则将此趋势量化为所谓的"力矩(torque)".此转动方向以右手四指圈住,则拇指的方向即为力矩的方向.一般而言,力矩与物体的转动轴平行,其所驱动的转动会与物体原转动同向或反向,故使转动加速或减速.然而如图五的情况,力矩与物体的转动轴垂直,则自转转速不变,取而代之的是自转轴的方向改变.由於无论自转轴方向做多少改变,力矩方向始终与之保持垂直,故自转轴不断地改变方向,最终绕一圈回来,而有所谓的进动产生 [3].
了解白努利原理让直升机螺旋桨产生的提升力以及力矩垂直於陀螺转动轴所造成的进动后,将二者混合为一,即成回旋镖的飞行原理.不
图六,白奴利原理对回旋镖的影响
过此时的螺旋桨不是水平摆置而是垂直放置,而其相对应的陀螺自转轴与铅直线成九十度角.如图六左边之侧视图所示,由於回旋镖一边飞行一边自转,故上半边的速率较下半边快.根据白奴利原理,上半边会有大於下
半边的侧向力,如图六右边之后视图所示.若回旋镖没有自转,则此力会图七,垂直於自转轴的力矩产生回旋动力
造成镖体侧向翻转,即有一力矩作用於回旋镖.然而回旋镖具有自转,且自转轴与此力矩垂直,如图七所示,故自转轴会不断地转动,回旋镖则是相对地绕圆圈回转.由於丢掷者即位於回转的圆圈上,故回旋镖必飞回丢掷者.
回旋镖DIY
由上一节的讨论知,回旋镖之所以能够回旋的重点是在於:其翼面是否具有如机翼一般,能使两侧流动的气流流速不平衡,进而产生侧向转动的力矩.今日回旋镖的设计相当多样,图八即是一些有别於传统式的回旋镖.
这里我们要介绍的方法,是由国立高雄师范大学周建和教授实验室所发展的,一种适於室内飞行的回旋镖制作方法[5]:
如图九,将500磅以上的灰纸板裁成长13.7 cm,宽2.7 cm大小三张.
每一张长方形纸板的一端,由中央剪一道长约1cm,宽约0.1 cm的细缝.
各翼的夹角尽量为120o,以钉书针组合如图九的形状.
图九,简易三翼型回旋镖
稍微将翼面凹折,以增加其回转的动力.
试射时请按下列原则进行:
射回旋镖时必先确保没有任何人会位於飞行路径上.
手持镖体使其面垂直.惯用右手者,凸面向左;惯用左手者,凸面向右.
以腕力水平射出即可.
若场地有风,请面向风吹来的方向.惯用右手者,以偏右45o射出;惯用左手者,以偏左45o射出.
试著在翼面外缘均匀地增加重量(如贴上胶带),再试射一次并与先前的飞行路径比较.
回旋镖高尔夫大赛
据说,澳洲原住民曾将回旋镖抛出近 100 m远,高度亦近50 m高,并且来回绕了五圈之多![6] 虽然这里所示范的回旋镖不可能飞得这麼神奇,但其短射程的特性适於室内及较小场地里飞行.这里介绍一种有趣的回旋镖玩法:在几个适当距离上摆置一些标竿,分令竞赛者掷镖回旋过杆,每过一杆便算进洞得分.此种玩法颇类似於高尔夫比赛,因此称之为回旋镖高尔夫.另一种回旋镖过关的方式,则是选取枝叶茂密之灌木作为标竿,将回旋镖射入树中即算进洞得分.由於回旋镖具有曲线飞行的能力,若在标竿之间适当选取一些障碍物,可提高过关的难度及增加趣味性.
参考资料:
"From the Stone Age to the New Millennium", www.usba.org/Resource/ History.html. 这是一个由美国回旋镖协会所建置的网站,内容有回旋镖历史说明,原理简介,比赛活动以及许多回旋镖网站的连结.
Tom Harris, "How Boomerangs Work", www.howstuffworks.com/ boomerang6.htm. 这是一个专门说明各种器具原理的商业网站,内容相当丰富且免费,只是必须忍受旁边不断出现的广告.
相关的证明超出本文的目的,故略而不提.读者若有兴趣深入探讨,可参考一般的物理教科书,如:Harris Benson, "University Physics" 2nd ed., John Wiley & Sons (1996) .
图片来源:http://pass.maths.org.uk/issue7/features/boomerangs/ index.html.这是一个由英国剑桥大学赞助,专门介绍数学应用的网站.
周建和,郑伟文,唐建文,"回旋镖的制作以及其教学应用",2000物理教学及示范研讨会,林泰生主编 (2000);或参考高师大物理系Adept实验室网页http://140.127.79.16/~adept/street/89a/ 02.htm.
Jearl Walker, "The Flying Circus of Physics with Answer", John Wiley & Sons (1977). 中译本:叶伟文,"物理马戏团",天下文化 (2000) .