物理老師教你玩轉(zhuǎn)竹蜻蜓

張軍

很多傳統(tǒng)的小玩具都富含科學(xué)原理，比如陀螺、撥浪鼓、竹蜻蜓、風(fēng)箏等。今天，張老師帶著大家用吸管和卡紙來做竹蜻蜓，并了解它的基本工作原理。在基本造型的基礎(chǔ)上，每個(gè)人都可以加入自己的創(chuàng)意。

竹蜻蜓的飛行原理

竹蜻蜓是流傳很廣的傳統(tǒng)玩具，具體發(fā)明時(shí)間已不可考。它由兩部分構(gòu)成：一是旋翼，俗稱“翅膀”；二是與翅膀垂直的竹柄。通常的玩法是，雙手快速搓動(dòng)直立的竹柄，讓翅膀向著特定的方向旋轉(zhuǎn)，竹蜻蜓就會(huì)飛起來（圖1）。這種簡(jiǎn)單的結(jié)構(gòu)和玩法曾讓西方傳教士驚嘆不已，還給竹蜻蜓起了個(gè)“中國(guó)螺旋”的名字。據(jù)說，20 世紀(jì)30 年代，德國(guó)人受到竹蜻蜓的啟發(fā)，發(fā)明了直升機(jī)的螺旋槳。

竹蜻蜓以安裝竹柄的圓孔為中心，兩側(cè)的旋翼削成了斜面。將直立的竹柄水平旋轉(zhuǎn)180°，轉(zhuǎn)動(dòng)過來的旋翼傾斜方向與轉(zhuǎn)動(dòng)離開的旋翼傾斜方向相同（圖2）。搓動(dòng)竹柄時(shí)，旋翼朝下的那個(gè)面是迎風(fēng)面，會(huì)對(duì)空氣施加壓力。理論上，這個(gè)壓力的方向垂直于迎風(fēng)面向下，同時(shí)迎風(fēng)面也會(huì)受到空氣的反作用力，反作用力垂直于迎風(fēng)面向上，提供了竹蜻蜓向上運(yùn)動(dòng)的“升力”。但實(shí)際情況會(huì)復(fù)雜得多，竹蜻蜓旋轉(zhuǎn)時(shí)會(huì)在空氣中形成渦流，導(dǎo)致在不同方向上形成空氣壓力差；上升時(shí)，空氣還會(huì)對(duì)竹蜻蜓施加阻力，竹蜻蜓自身還受到重力。所以，竹蜻蜓的飛行狀況是多個(gè)因素共同決定的。改變竹蜻蜓的質(zhì)量分布、旋翼面積、斜面的傾斜程度等，都會(huì)影響到竹蜻蜓的飛行。

在真正的航空航天飛行器的設(shè)計(jì)中，除了考慮結(jié)構(gòu)，還要考慮強(qiáng)度、彈性、控制、系統(tǒng)整合以及不同姿態(tài)、不同速度下的動(dòng)態(tài)特征等，涉及力學(xué)、數(shù)學(xué)、材料學(xué)、系統(tǒng)工程等多個(gè)學(xué)科領(lǐng)域的理論和方法。所以，飛行器的設(shè)計(jì)是尖端科技（圖3，殲-20戰(zhàn)斗機(jī)）。

為了簡(jiǎn)化問題，我們只分析作用力和反作用力。

如果反方向搓動(dòng)竹柄，讓旋翼朝上的那個(gè)面變成迎風(fēng)面會(huì)怎樣呢？不難分析，在重力和空氣施加的向下的反作用力共同作用下，竹蜻蜓將迅速地向下掉落。

如果讓竹柄處于水平方向，而讓旋轉(zhuǎn)面處于豎直方向呢？不管正方向還是反方向搓動(dòng)竹柄，空氣的反作用力都會(huì)讓竹蜻蜓沿著水平方向飛行，加上重力的作用，竹蜻蜓將做不斷向下彎曲的曲線運(yùn)動(dòng)。

如果讓竹蜻蜓上下顛倒放置，竹柄位于翅膀上方呢？快速搓動(dòng)竹柄，讓旋翼朝下的那個(gè)面迎風(fēng)，竹蜻蜓依然會(huì)向上飛翔（圖4）。

用吸管和卡紙制作竹蜻蜓

竹子取材方便，這讓竹蜻蜓易于在民間流行。但是，如果旋翼的斜面傾斜不對(duì)稱，或者搓動(dòng)時(shí)竹柄不在豎直方向，或者重力分布不均勻，都會(huì)導(dǎo)致竹蜻蜓飛向意想不到的方向，有可能給自己或身旁的伙伴帶來傷害。人的裸露部位被竹蜻蜓撞到，疼痛感還是很強(qiáng)的，甚至?xí)偾嗷虺鲅?/p>

現(xiàn)在市面上有塑料竹蜻蜓出售，材料變了，我們依然稱其為“竹蜻蜓”。塑料制作的竹蜻蜓輕便、廉價(jià)，葉片的傾斜角度適中，頭朝上飛或頭朝下飛，飛行姿態(tài)都比較平穩(wěn)。撞到人的概率低，即使撞到，造成的傷害程度也小，比較適合小朋友們玩（圖5）。

其實(shí)，只要有硬質(zhì)的吸管和卡紙，我們?cè)诩揖涂梢灾谱髦耱唑选?/p>

用卡紙制作翅膀，用較厚的卡紙剪出一個(gè)長(zhǎng)20 厘米左右、寬1.5 厘米左右的紙條，在中點(diǎn)對(duì)折，做出長(zhǎng)10 厘米左右的兩個(gè)旋翼。用吸管取代竹柄，在吸管一端沿吸管軸線方向剪出1.5 厘米長(zhǎng)的槽口。將紙條對(duì)折后插入吸管的槽口內(nèi)，吸管要正好夾在紙條的正中間。另外裁剪一段寬度適中的紙條，在紙條一面貼上雙面膠，然后用這根紙條將吸管和卡紙的連接處固定。仿照竹蜻蜓翅膀的斜面，將兩條卡紙旋翼沿根部對(duì)稱折出傾斜的折痕，竹蜻蜓就做好了（圖6）。根據(jù)旋翼的迎風(fēng)面方向，快速搓動(dòng)吸管，竹蜻蜓就會(huì)飛起來。

如果竹蜻蜓飛不起來，可以考慮以下幾方面原因：搓動(dòng)吸管的方向反了、兩個(gè)旋翼的折痕不對(duì)稱、旋翼的傾斜程度不合適、翅膀太長(zhǎng)或太短、兩個(gè)旋翼的傾斜程度不同、旋翼之間的夾角太大或太小。如果竹蜻蜓能飛起來，但是很快就落地了，可能是搓動(dòng)吸管時(shí)吸管沒有保持豎直，重新調(diào)整一下姿態(tài)即可；也可能是裝置太重了，可以考慮將吸管從下面剪去一截，或?qū)⑻L(zhǎng)的翅膀剪短。當(dāng)然，也可以通過自己的觀察作出猜想，嘗試改正或修正，或許你會(huì)有不一樣的收獲和成就感。

拓寬思路的創(chuàng)意玩法

創(chuàng)意的玩法有很多，簡(jiǎn)單介紹幾種，以拓寬大家思路。

增大旋翼末端質(zhì)量，比如粘貼兩層卡紙，或者夾個(gè)回形針，這樣可以增大竹蜻蜓轉(zhuǎn)動(dòng)的慣性，讓竹蜻蜓旋轉(zhuǎn)得更久。

也可以重新設(shè)計(jì)，做一個(gè)三旋翼的竹蜻蜓。也可以在旋翼下面貼一小截白紙條，當(dāng)竹蜻蜓旋轉(zhuǎn)上升時(shí)，你會(huì)看到一個(gè)旋轉(zhuǎn)的白色圓圈，這是因?yàn)橐曈X暫留。當(dāng)然，你也可以貼上不同顏色的小紙條或用彩筆畫上不同的顏色，感受一下轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)看到的色彩有何不同（圖7）。也可以將你制作的吸管竹蜻蜓與買來的塑料竹蜻蜓組合成一體，讓它們“比翼雙飛”（圖8）。

再想一想，能做一個(gè)發(fā)出聲音的竹蜻蜓嗎？能做出多旋翼的竹蜻蜓嗎？能做出發(fā)光的竹蜻蜓嗎？開動(dòng)腦筋，你就會(huì)發(fā)現(xiàn)，創(chuàng)意無處不在，科學(xué)就在身邊。

（責(zé)任編輯：白玉磊）