回旋镖的飞行原理是什么?
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我查过了。我试着说清楚。
回旋镖的原理有点类似于陀螺仪的进动,所以让我们从进动开始。刚体力学告诉我们,当一个定点旋转的刚体受到恒定的力时,就会发生进动,陀螺仪就是一个很好的例子。
如上图所示,从陀螺仪的位置出发,取与陀螺仪轴线垂直的水平线作为轴线分析。陀螺仪旋转形成的角动量L如图a所示,重力带来的转矩M如图b所示,我们也知道转矩等于角动量的变化率,所以最终重力转矩的作用是使角动量绕垂直z轴旋转,虚线所画的圆就是旋转的路径。当然,陀螺会以这种方式旋转,我们称之为旋进。这有点违反直觉,因为重力应该使顶部下降,但顶部只是水平旋转。如果在没有岁差的失重环境下,把定点陀螺仪的头向前推,你会发现它不是像一个不倒锅一样前后移动,而是直接向左,不停地转圈!
首先,回旋镖的机翼和飞机的机翼一样,横截面是这样的:
伯努利方程告诉我们,流速大,压力小,所以当机翼快速运动时,它会被空气提起。当我们飞回飞镖时,我们是垂直向上飞的,所以机翼上有一个横向力。由于飞镖飞出时旋转速度很快,飞镖的两个翅膀在空中相对于空气以不同的速度运动。上翼的运动速度比下翼快,所以上翼的侧力比下翼的侧力大。这两个力是不相等的,产生了一个扭矩,而回旋镖本身的旋转产生了一个相对较大的旋转角动量。既然旋转的角动量在那里,力矩在那里,问题就和第一个陀螺进动一样了:根据角动量定理,飞镖在前进的时候必须再旋转一次,旋转一次,然后再转回来。
还有一件事,当我们飞回飞镖时,我们是垂直扔的,但当我们把它拿回来时,我们发现回飞镖已经水平了。为什么?因为我们有一个理想的分析,实际情况是耗散。大扭矩要使陀螺仪下降,虽然进动可以防止这种下降,但摩擦能量损失后,陀螺仪最终肯定会下降。施加到回飞镖上的扭矩旨在将镖从垂直方向改变为水平方向,尽管进动阻止了这种趋势,但在空气阻力损失后,镖最终必须变为水平方向。
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