回旋镖原理与实作.doc

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 (Bernoullis 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