了不起的物理

27 直升機為什麽至少有兩個“螺旋槳”?

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為什麽直升機除了有一個大的螺旋槳以外,尾巴上還要裝一個小的、豎著的螺旋槳?當然,用螺旋槳這樣的表述不夠準確,直升機的大“螺旋槳”有專門的名稱叫作“旋翼”,就是會旋轉的翅膀的意思。尾部的小螺旋槳叫作尾槳。

旋翼很好理解,它是用來給直升機提供升力的,很多人認為尾槳是用來控製方向的,有一定道理,但是它還有一個非常重要的作用,就是不讓直升機原地打轉。這裏麵的原理是牛頓第三定律。牛頓第三定律是指作用一個力在物體上,則必受到一個來自該物體的大小相等、方向相反的力。

直升機的旋翼轉起來,提供升力,旋翼之所以可以轉動,是因為發動機作用了力矩在螺旋槳上,讓它往一個方向轉動。但是根據牛頓第三定律,作用力必然對應一個反作用力,所以相反的旋翼也會作用一個相反方向的力矩在發動機上,發動機連著機體,如果沒有一個外部力矩來平衡的話,直升機的機體就會跟著旋翼呈反方向轉動。相關的電影鏡頭其實有不少,在戰爭電影或者動作電影中,如果直升機的尾部被擊中,尾槳壞了的話,直升機就會開始在原地打轉。

為什麽尾槳那麽小呢?因為它在直升機的尾部,如果以旋翼的轉軸為支點的話,尾槳提供的力的力臂很長,旋翼的力臂大概隻有旋翼轉軸半徑那麽大,最多也就是10厘米,但是尾槳的力臂幾乎是整個直升機的長度,因此隻需要很小的尾槳,提供很小的推力就足夠平衡直升機水平方向的力矩了,這就是為什麽直升機要在尾巴上裝一個豎著的尾槳。

當然,也有那種前後兩個大旋翼的直升機,這種情況下,這兩個旋翼的旋轉方向必然是相反的,一個如果是順時針轉,另外一個則必然是逆時針轉,這樣做也是因為牛頓第三定律,前後旋翼產生的扭矩必然是相反的,這樣才能使扭矩相互抵消,讓直升機保持旋轉的平衡。