竹蜻蜓是我国民间的一种古老玩具,距今已有2000多年的历史。当我们快速转动竹蜻蜓的竹竿,并松手时,竹蜻蜓会自行旋转,飞向天空。随后这种玩具被传入欧洲,一些科学家从竹蜻蜓飞行原理中大受启发,最终由美国人伊戈尔·西科斯基研制出了第一架真正实用的直升机。
直升机的优点很多,其中一个最主要的特点就是垂直起飞。直升机垂直起飞的奥秘在于它的旋翼。当直升机在地面处于停放状态时,旋翼桨叶因重力的作用会呈自然下垂状态。当直升机引擎启动,带动旋翼不断旋转,桨叶上方的空气流过其表面,流速变快,形成较小的压力;桨叶下方的空气流过其表面时,流速变慢,形成较大的压力。这样一来,桨叶的上下就形成了一个比较明显的压力差,压力差致使桨叶上方产生一个向上的拉力,当拉力大于直升机自重,直升机就上升,小于直升机自重,直升机就下降,刚好相等,直升机就悬停。
但是,牛顿第三定律告诉我们:相互作用的两个物体之间的作用力和反作用力总是大小相等,方向相反,作用在同一条直线上。所以当直升机的旋翼旋转时,势必会对直升机产生一个反作用力矩,直升机机体会“不由自主”地旋转。
为此,设计者绞尽脑汁,想出了很多控制反作用力矩的方法,比如在直升机上安装两个大小相等,而旋转方向相反的旋翼来抵消相互之间的反作用力矩。或者,通过在机尾安装一个垂直旋转的小旋翼,专业术语称之为尾桨,通过尾桨产生“拉”或“推”的方式来抵消反作用力矩,同时,通过控制尾桨产生的“拉力”或“推力”的大小,能够达到让直升机偏转的目的,从而实现控制直升机的转向。
随着科技的进步,未来的直升机用途会越来越广泛,如紧急救援、快速搜捕、处置突发事件等,这将为社会发展提供更为便利、快捷的服务。
本作品为“科普中国-科学原理一点通”原创,转载时务请注明出处。