玩中悟理课程——哆啦A梦的竹蜻蜓

竹蜻蜓飞行器是《哆啦A 梦》里面最常用的道具之一只要安在身体的任何部位打开开关都可以任意的飞行竹蜻蜓内部装有小型大功率电动机， 以及竹叶上安装了反重力板，当螺旋桨转动起来的时候就在周围的空间形成了一个反重力场，再借由里面的微型计算机读取脑电波传达的数据来控制方向以及速度可是，那毕竟只是漫画，至少现在不可能实现不过，我们伟大的祖先发明了一件玩具——竹蜻蜓！竹 蜻 蜓 中 的 奥 秘竹蜻蜓是一个简单又神奇的玩具，从古代到现在一直受到孩子们的喜爱在中国晋朝（公元265 年—420 年）葛洪所著的《抱朴子》一书有这样的记述：“或用枣心木为飞车，以牛革结环剑，以引其机或存念作五蛇六龙三牛、交罡而乘之，上升四十里，名为太清太清之中，其气甚罡，能胜人也其中的“飞车”被一些人认为是关于竹蜻蜓的最早记载其外形是一片呈翼形的竹片，当中有一个小孔， 插一根笔直的竹棍儿，用两手搓转这根竹棍儿，竹蜻蜓便会旋转飞上天，当升力弱时才落到地面 竹蜻蜓中蕴含的力学原理启迪了人们发明螺旋桨等，公元 l7 世纪苏州巧匠徐正明，整天琢磨小孩玩的竹蜻蜓，想制造一个类似蜻蜓的直升飞机，并且想把人也带上天空经过十多年的研究，他造出了一架直升飞机。

它有一个竹蜻蜓一样的螺旋桨，驾驶座像一把圈椅，依靠脚踏板通过转动机构来带动螺旋桨转动，试飞时，它居然飞离地面一尺多高，还飞过一条小河沟，然后落下来在学习了本节后，我们不仅可以浅析其中的原理还可以尝试着做一做和比一比力学原理竹蜻蜓由两部分组成一是竹柄，是一根长约20cm，直径约 5cm的木棒二是“翅膀”，用一片长 18 至 20 厘米、宽 2 厘米、厚 0.3 厘米的竹片 （现在多为塑料片） ，中间打一个直径4 至 5 毫米的小圆孔，用于安装竹柄叶片是斜面，并且两个叶片是中心对称的叶片的斜面起关键作用，当转动棍子使得叶片旋转起来的时候，旋转的叶片将空气向下推，形成一股强风，而空气也给竹蜻蜓一股向上的反作用升力，这股升力随著叶片的倾斜角而改变如右图所示，竹蜻蜓以 ω 转动，空气给叶片的力为 F，可以分解为水平分力xF 与竖直分力yF，当 2yF>G时，就会有向上的加速度使得竹蜻蜓向上飞起由于两个叶片是中心对称的，所以两个xF 的方向相反，但始终与叶片转动的切向方向相反，产生力矩使的竹蜻蜓转动角速度ω 减小，当 2yF

叶片的阻力面积愈大作用力愈大，因而反作用力也愈大（浮力也愈大），竹蜻蜓就飞得愈高但是我们也发现阻力面积愈大， 所需的旋转力愈大， 因此在实际竹蜻蜓的操作中并不实用， 这就需要在力与角度面积中找出一个平衡点使得竹蜻蜓省力好操作又飞得高竹蜻蜓原理的应用被誉为“航空之父”的英国人乔治·凯利就对竹蜻蜓着迷 他的第一项航空研究就是在1796 年仿制和改造了“竹蜻蜓”，并由此悟出螺旋桨的一些工作原理他的研究推动了飞机研制的进程并为后人研制直升机带来灵感莱特兄弟发明飞机也由竹蜻蜓中得到不少启发，例如飞机的机翼， 向前飞行时，倾斜的机翼受到空气的作用力，有向上的分力阅读材料一：乔治.凯利 ── 空气动力学之父飞机发明家奥维尔 . 莱特曾说：“我们的成功完全要感谢那位英国绅士乔 . 凯利，他写的有关航空的原理，他出版的著作，可以说毫无错误，实在是科学上最伟大的文献西方一些研究空气动力学的专家称乔治．凯利为空气动力学之父乔治·凯利于 1773年 12月 27日生于英国的斯卡 . 波诺撤在约克和诺丁汉受过教育， 但这位好学而具有天才的青年，主要是从一位家庭教师那里，得到了有关自然科学方面的知识这位家庭教师就是当时著名的数学家乔治·瓦克。

凯利 10 岁时，听说法国人罗齐尔作了第一次载人气球飞行，便开始对航空产生兴趣和向往 1792年，他用一种玩具直升机作了一连串试验，这种玩具名叫“中国飞陀螺” （竹蜻蜓） 1804 年，他写了第一篇有关人类飞行原理的论文凯利提出，现代飞机不应模仿鸟类振翼而飞，而应采取固定翼飞机＋推进器的模式在他的论文中详尽地描述了现代飞机的轮廓，为后来的空气动力学奠定了基础他认为适当的安定性， 要在设计翼面时取一点点角度而获得，这就是现代飞机的上反角 机尾必须有垂直和水平的舵面，这同现代飞机完全相同 他认为飞行器必须是流线型的， 根据他的计算， 如能减少 l 公斤重的阻力， 便可在不增加马力的情况下，增加66 公斤的载重能力他还讨论过速度与升力的关系、翼负荷、如何减轻飞行器的重量，甚至以内燃机作动力等问题乔治. 凯利把自己设计的现代飞机方案于1799 年刻在——个小银盘上小银盘的一面刻着机翼上各种作用力的说明，另—面刻着飞机草图，这个银盘现藏于伦敦科学博物馆但困扰凯利多年的问题就是没有合适的动力，当时的蒸汽机又大又笨重， 根本不可能将凯利的飞机送上天空，不得已他转向了载人无动力滑翔的研究1849年， 已届 75 岁高龄的凯利造了一架三冀滑翔机， 一个 10 岁不知名的男孩乘坐着，从上至下飞行了几码的距离，这无疑是人类有史以来第一次载人滑翔机飞行。

1853年，他写了一篇描述无人驾驶滑翔机飞行的文章，送到法国航空学会，题目是《改良型 1853 年有舵滑翔机》1971年，一位英国飞行员史泼劳中校，完全依照凯利遗留下来的笔记， 造了一架与当年完全一样的滑翔机，飞得十分成功，证明了 118 年前凯利的设计是如何的成功凯利不但对航空有兴趣， 他还为大不列额设计了海军大炮炮弹，在拿破仑战争时期得到应用 1807年，他发明并获专利的热力发动机，为工业界所广泛运用1825年，凯利又设计了一种装辐条的车轮用于滑翔机上，这一发明至今仍为自行车所采用此外，他还发明过自动铁道刹车装置，且在声学、光学、电学以及下水道工程等方面，有不少有价值的贡献1858年凯利去世，享年84岁阅读材料二： 螺旋桨的原理与竹蜻蜓有很多相似之处，飞机螺旋桨在发动机驱动下高速旋转，产生拉力，牵拉飞机向前飞行桨叶在高速旋转时，同时产生两个力，一个是牵拉桨叶向前的空气动力，一个是由桨叶扭角向后推动空气产生的反作用力由于前桨面与后桨面的曲率不一样，在桨叶旋转时， 气流对曲率大的前桨面压力小，而对曲线近于平直的后桨面压力大，因此形成了前后桨面的压力差，从而产生一个向前拉桨叶的空气动力另一个牵拉飞机的力， 是由反作用力而得来的。

这两个力就是牵拉飞机向前飞行的总动力 ___________________________________ _______________________________ ___________________________________ _______________________________ ___________________________________ ___________________________ _______________________________________ 感 悟 ——。