澳大利亚土著所使用的“飞去来器”,究竟是一种怎样的狩猎神器?

防火门闭门器2023-02-12  19

澳大利亚土著所使用的“飞去来器”,这种狩猎神器就是将飞来器扔出去以后,经过固定的弧度盘旋一圈,又回到投掷者的手里。虽然并不是澳大利亚的土著发明了飞去来器,但是却成了他们的狩猎神器。

飞去来器的原理同回旋镖。扔出的时候,通过武器与空气的交互作用,让上升方向的空气使飞去来器器具稳定。旋轴的转动使器具可以飞回,整体轨迹呈抛物线。飞去来器被澳大利亚的土著多用于狩猎和战争,现在已经成了流行运动风向标。人们把它当做娱乐和健身的运动器具。

以前澳大利亚的土著使用飞去来器的重点在于杀伤力,并不完全等同现在的飞去来器,样子也跟现在的有所偏差。当他们在捕猎袋鼠的时候,直接用标枪,并不会用这种。但是就在攻击水里的动物的时候,就开始使用这种武器。毕竟这个武器能较少取出的难度,让人更方便取回自己的武器减少损失,有时还能减少跑腿的时间。或者在围捕动物的时候飞一圈,动物都会被吓得蹦出来,起到打草惊蛇的作用。特别是打飞禽的时候,飞去来器能加大了攻击面,让命中率提高。

在以木棒为武器攻击的时候,飞去来器还是起到了一定的作用。随着后期文明和技术的发展,人类拥有更大的杀伤力、射程更远的攻击性武器。飞去来器自然也随着技术的发展,被做了相关的升级或者可能直接舍弃。但是澳大利亚的土著长期游离在现代文化之外,缺少交流,并没有对飞去来器做更多的更改。因此还是有部分土著,配合弓箭,还在使用飞去来器。土著们可能被侵入的时候,都还没有研发出过金属的器具和武器。

飞去来器飞出去又能回飞的原因,主要在镖臂的截面形状及其自旋。没有这两点特性,飞去来器就和其他丢出去的木棍没有两样。镖臂的截面形状使飞去来器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,飞去来器和陀螺一样,其自转轴也绕铅直线旋转。升力及稳定性使飞去来器上升,而其自旋轴之转动则令飞去来器回飞。

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。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。

此二理想化气流重叠,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),故机翼上方之大压力小于下方,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。升力减小的缘故是入射气流有施於上表面的下压力;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,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,所以飞去来器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。这种形状通常包括飞去来器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。有些飞去来器两边都是平的,但在飞行中,以扭转镖臂来使气流偏向。

飞去来器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,向上的力只够平衡飞去来器的重量。因为飞去来器绕水平轴旋转,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,以下的讨论将不计飞去来器的重量,并假设飞去来器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,飞去来器就永远飞不回来了。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。假设飞去来器的一臂已到达最高点,而另一臂几乎在最低点(指的是香蕉形的飞去来器)。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。飞去来器在自旋中,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)会使飞去来器的自旋面倾斜,升力方向朝下(结果损失惨重)。然而实际情形是,升力差使得飞去来器绕一铅直轴旋转,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。令飞去来器绕其中心自旋(事实上,双臂飞去来器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;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。如果飞去来器不自旋,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,然而飞去来器是自旋的,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。

角动量是飞去来器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,想像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,你不再施力於其边缘,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,右手伸直的拇指表示,其他四指循物体旋转之方向卷曲。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。如令拇指与上二指垂直,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。

旋转中的飞去来器有二个力矩施於臂上,一个是由上臂平均升力所产生;另一个则为下臂之平均升力所产生。因为上臂之升力较大,就以它来决定角动量,因此将不计下臂之升力(如果加上较小之升力,结果亦同)。假想以右手抛出飞去来器后,它逐渐远去,在铅直面上自旋,角动量的向量向左指,当飞去来器继续飞行时,上臂之平均升力产生的力矩,就会改变角动量向量的方向。要决定向量的改变方向,可以右手手指的适当指向来表示。食指从飞去来器中心指向上臂之中心,中指指向上臂升力之方向(即你的左方),则伸直的拇指就指向你。因此,表角动量改变的向量就指向你。用俯瞰的方式最能看出向量改变与原向量的和,向量改变与原向量垂直,合成一新向量,方向比原向量更指向你。因为向量改变与原向量垂直,角动量的大小不变,只是方向改变了,使它绕一铅直轴旋转。这种角动量方向的旋转称为进动,可由陀螺的轴绕铅直轴旋转看出来。

另一进动的通俗例子是摩托车的转弯,摩托车轮的转动速率甚大,有够大的转动惯量使得角动量很大。要使摩托车转动,不能像单车转弯一样,只是转动把手,还要使摩托车向转弯的方向倾斜。摩托车受到的力矩,使车轮的角动量产生进动,才能使整个摩托车转弯。在自旋平面的进动时,飞去来器以某一速率沿一路径飞行,但不断地受到水平升力而转向。因而路径接近一圆周。

在一成功的飞行中,飞去来器自旋平面的进动速率,与其绕一圆周路径之速率同步,其攻角略维持一正值。使攻角维持一适当的值,在此种速率同步的配合上是必须的。假设飞去来器进动大慢,则当它在路径上飞行时,其绕一铅直轴旋转的自旋平面转速,较镖身整体沿路径飞行之速率为慢。自旋平面落后时,其攻角逐渐地变负,飞去来器就失去升力。如自旋平面旋转得太快,其绕铅直轴之转速就较镖身整体沿大圆路径飞行之速率为快。结果攻角就逐渐变正,直到自旋平面与接近的气流垂直,於是飞行即被气障破坏无遗。进动率与飞去来器沿大圆路径飞行的速率,两者的吻合并不难,事实上,在某种程度来说,还是自动完成的,因为二者都靠升力。抛掷飞去来器,用砂纸磨,并改造镖臂,再试掷,直到几乎吻合而飞去来器能回飞为止。

飞去来器之圆周路径与抛掷它的速率无关,只有转动惯量和飞去来器的截面形状,才能决定飞行路径的半径。因此一个飞去来器,不管你用力多大(在假定的铅直面上作相同的投掷);其路径总是不变的(当然,假设用的力足以飞完全程)。如果要改变圆周路径的大小,通常必须换个不同转动惯量或截面形状的飞去来器。然而也可以在镖臂加上载物来增加转动惯量,这种技巧是想打破抛远纪录的人用的。飞盘也是以同样的方式飞行。它有一个弯曲的顶面,以手腕的扭甩使其旋转,由空气的撞击或经由上下表面气流速度之不同而获得升力。飞盘适当地在几乎铅直的平面抛掷,也会像飞去来器一样的回飞。可是,飞盘通常是稍微弯曲地抛给另一个人,因此抛掷者只要定个自旋平面,给与足够达到此一弯曲路径的水平升力就成了。飞去来器和飞盘都可轻触地面而不影响飞行。假想飞盘以前缘向下微倾,掠地而过。前缘擦到地上,地面与飞盘的接触点给予飞盘一力矩,并改变其角动量,但此改变向量几乎和原来的角动量垂直,所以新的角动量是由原先的向量旋转而得。除了方向,角动量的值改变并不大,因此飞盘并不会慢多少,只是重新定向,朝新方向飞行罢了。


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