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纸艺与科学之漫谈飞机

2020-10-20顾冰

科学24小时 2020年10期
关键词:纸飞机莱特机翼

顾冰

在号称拍出了中国家长之痛的印度电影《起跑线》中,男主有一段感慨——贫民窟的孩子有许多简单的快乐,而集万千宠爱于一身的上层阶级的孩子在没有那些电子产品时已不知如何保持开心。这的确很讽刺但也很真实。如今,随着生活条件越来越好,那些简单的快乐却变成了奢侈品,一些经典的玩具比如老洋片、鸡毛毽、萬花筒已成模糊的记忆。今天我们就来唤回那份简单的快乐,一起来折一架承载着许多人童年无限回忆的“爆款”玩具——纸飞机。

说起纸飞机,那可是一种又便宜又好玩的小成本手工玩具,随手拿起一张纸,正反折叠几回,一只纸飞机就做成了。不过,要想折出一只飞得又高又远的纸飞机,其中的学问可大着呢!

飞机的飞行原理涉及空气动力学、伯努利原理、仿生学等领域的知识,它的创造过程可是几经起伏,一些飞行先驱为了研究可控飞行机器甚至付出了生命的代价。最终发明出飞机的是一对学历不高,以修自行车谋生的兄弟——威尔伯·莱特和他的弟弟奥维尔·莱特。莱特兄弟之所以能成功正是因为他们突破了思维定式,开辟了新路。当时许多发明家的成功都印证了爱迪生的那句名言:“天才就是1%的灵感加上99%的汗水。”但莱特兄弟并没有像其他发明者一样,凭借经验和想象不断地设计飞行器进行试飞,而是潜心钻研了空气动力学之父乔治·凯利的理论,并制造了一个能对模型机翼进行准确试验的风洞,在两个多月的时间里使用风洞进行了 200 多次各种类型翼面试验,最终根据试验数据设计出了飞机。

莱特兄弟打破的另一思维定式是一直以来人们对于机翼大小的限制。当时人们总担心机翼过大会使飞机难以操纵,所以许多机翼面积都限制在200平方英尺下,但其实机翼面积过小会导致飞机的升力不足。此外,驾驶员的重量也影响着升力,驾驶员自身的位置变化更严重影响飞机的重心,驾驶员往往需通过改变身体位置来控制飞机的飞行姿态,这对他们的操作技术要求非常高,稍有不慎就有可能机毁人亡!莱特兄弟不走寻常路,干脆把机翼增大一倍,达到308平方英尺,然后设计出直接控制机翼来操纵飞机飞行姿态的操作方式,飞机整体的升力增加后,飞机对于驾驶员自身位置的变化也不那么敏感了。

飞机能飞主要是符合伯努利原理,即流体(既包括气流也包括水流)的流速越大,其压强越小;流速越小,其压强越大。举个例子,当你把两张A4纸面对面靠拢,然后往两张纸的中间吹气,你可能会认为这两张纸应该会被吹向两边,但事实是两张纸反而越靠越近。这是因为吹气导致两张纸中间的气流速度快,压强小,两边的气流速度慢,压强大,压力差使得两张纸会往中间并拢。飞机机翼的工作方式也是利用了伯努利原理,当机翼在空中飞行时,空气流过上表面的速度比下表面快,机翼下表面的压力更大,这就是升力的来源。早期的制造者希望造出最轻的机翼,因此机翼造得很轻薄,并用张力线加固。一战期间双翼机第一次使用了更厚、更小阻力的翼型。但直到结构设计得到改进的“喷火”时期,无支撑悬臂式机翼才被做得更厚,以适应高速的飞行。

号称美国空军21世纪主力军种的F-22“猛禽”战斗机全长18.92米,翼展13.56米,主翼面积达78平方米,最大速度高达每小时2081千米,最大起飞重量可达到27216千克。今天我们就来挑战一下,制作这个庞然大物的纸质模型。

首先我们要制作出一个基本的风筝形状。取一张A4纸,按照步骤1-6,裁成正方形,对折后得到一个三角形,将三角形底边的两个角沿着中线往上翻折后,剪去顶部两个角。将得到的菱形的上面两条边折向中线,得到步骤5的风筝形状,反面效果如步骤6所示。

做两个风筝形状后,把其中一个将底部的三角形往下翻折,将两个风筝形状的A.B两个三角形折在一起,如步骤9所示粘贴起来。再把步骤9中右边尖筒的底部剪开折出两个小角,将两个尖筒穿插在一起,就得到了如步骤11所示的机头形状。我们将这个机头定为1号零件。

接下来要制作2号零件,也就是三个风筝形状的组合件。取三个风筝形状,如步骤13将其中两个风筝形状的一边三角形折到另一半三角形下面,并粘贴起来,得到两个如步骤14的形状。再将其放在第三个风筝形状的两个三角形的下面,粘贴起来,得到如步骤16所示的三个风筝形状的组合件,并依法再制作1个同样的组合件。

3号零件为直四角锥。我们取一个风筝形状,将下面的三角形底边中点左右1厘米各取两个点,连接定点和这两个点,得到两条线。沿着底边和这两条线,折叠风筝形状,并将其两边的三角形粘贴起来,得到如步骤21的直四角锥形状。这样的直四角锥也需要制作2个。

4号零件是非常重要的飞机主翼。先将一个正方形对折,得到一个三角形,再将三角形的两个角沿中线向上对折,最后将得到的图形沿中线对折。将底部折进一个小角,翻开小角,减去下面半个三角形,将剩下的三角形沿中线剪开,往里翻折后如图30那样再折出两个小角,最后将步骤30形状的左右两面粘贴起来,得到如步骤31的主翼形状。同样需制作2个主翼。

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