包“螺”萬象之螺旋的奧秘

徐小龍

無論是萬米級載人潛水器還是潛艇、游輪、軍艦，只要是在水里航行的大型機械裝備，它們都有一個原理相同的動力裝備——螺旋槳推進器。那“螺旋槳”和海螺有什么神秘聯系呢？單從文字看，螺旋槳里有一個“螺”字，奧秘是否就藏在這個字里面呢？它們和宇宙之間又有什么關系呢？

無論是萬米級的載人潛水器“奮斗者”號，還是我國第一艘載人潛水器“蛟龍”號，它們能夠在深海里自由遨游，依賴的就是身上的多個螺旋槳推進器。

以“蛟龍”號為例，它一共裝有7個螺旋槳推進器。這些螺旋槳推進器就像魚鰭一樣，幫助潛水器靈活地前進、后退、上浮、下沉、左右側傾和轉向——潛水器頂部的推進器，就像魚的背鰭，幫助潛水器轉向;左右兩側各一個，就像魚的胸鰭或腹鰭，幫助潛水器上浮、下沉或側傾;尾部有四個，就像魚的尾鰭，幫助潛水器前進和后退。

相較于“蛟龍”號來講，“奮斗者”號螺旋槳推進器的位置則更為隱蔽——幾乎是鑲嵌在潛水器外殼浮力材料的凹槽通道里。這樣的設計一是讓潛水器的外觀更加美觀，凸顯流線型;二是起到了很好的保護作用，避免外力磕碰造成螺旋槳損壞。

輪船的輪子去哪兒了？

潛艇和輪船不像潛水器那樣需要完成很多精細動作，所以它們大多只在尾部裝有一個或兩個巨大的螺旋槳推進器。

同學們可能要問了：輪船為什么不是依靠輪子前進，而是依靠螺旋槳呢？其實呀，一百多年前的輪船確實是有輪子的，螺旋槳的發明，源于一次“意外”。

當時的輪船上裝著巨大的輪子，就像我國古代農田中用于灌溉的水車，起到劃水的作用，稱為明輪。有的明輪安裝在左右船舷旁，叫船側明輪;有的安裝在船尾，叫船尾明輪。它們在蒸汽機的帶動下轉動，推動輪船前進或者后退。

但是這種明輪船有很大的局限性，稍微遭遇一點兒風浪，船身就會嚴重地左右搖晃，輪子也很容易被損壞，戰艦上的明輪更是敵人重點攻擊的目標。

聰明的工程師們想起了阿基米德，就是那位“給我一個支點，我能撬起地球”的古希臘數學家、物理學家。阿基米德為了幫助尼羅河邊的農民從地勢低洼的河里引水去灌溉地勢較高的農田，發明了一種螺旋水泵，搖動手柄將其轉動后，便可將低處的尼羅河水抽到高處的農田里，后人將這個裝置稱為阿基米德螺旋水泵。

工程師們根據物理學家牛頓的反作用力原理，也就是“你往后蹬腳，才能往前跑”的原理，大膽猜想：如果把阿基米德螺旋水泵安裝到輪船底，水對水泵的反作用力會推動輪船前進。

現在看來，這個猜想是很有道理的。

但實際操作時，工程師們卻費盡了周折。工程師們將長長的阿基米德螺旋水泵安裝到了輪船底，但效果并沒有想象的那么好，輪船似乎沒有增加太多動力。

直到有一天發生了“意外”。長長的水泵撞擊到了海底的礁石，折斷了，只剩下很短的一段。正當工程師感到絕望的時候，奇跡發生了——船速一下子快了起來，短小的水泵產生了更大的推動力！

就這樣，變短的阿基米德螺旋水泵取代了輪船的明輪，化身為螺旋槳，成為船舶發展史上劃時代的動力工具，但“輪船”這個名字卻一直沿用了下來。

海螺也有“螺旋槳”？

通過牛頓的反作用力原理我們知道，輪船前進的動力來自螺旋槳對水向后的推力。海螺要想獲得前進的動力，也要有螺旋槳的后推力才行。可海螺的“螺旋槳”在哪里呢？

上下前后左右找了一遍，也就海螺的大螺殼有點兒“螺旋”的意思，其他身體部位都不像螺旋槳。但是螺殼又不會自轉，怎么產生推力呢？

螺殼雖然不會自轉，但海水是流動的。當流動的海水沿著旋轉的螺殼流過時，奇特的物理現象發生了：螺殼會自動向前行走！特別是芋螺、竹筍螺、大法螺這種圓錐形的海螺殼。

這是因為當水流沿著螺殼的螺紋從“錐底”旋轉著流向“錐尖”時，速度減慢，“錐底”的水流靜壓力大于“錐尖”，形成前后的壓力差;水流的力量經過圓錐形螺線的旋轉，轉變為海螺前進的動力，讓海螺逆流而行，前進起來十分省力，甚至是被推著走的。這和帆船越是在逆風情況下，前進得越快越穩是一樣的道理。

所以海螺的“螺旋槳”就是它的螺殼以及上面旋轉的螺紋呀！

萬物皆有“旋”

其實，大自然中的“螺旋”幾乎無處不在，人類對它的認知僅是冰山一角。2000多年前，阿基米德發明了螺旋水泵;300多年前，笛卡爾發現了等角螺旋;100多年前，工程師史密斯發明了螺旋槳……

而自然界中的螺旋幾乎無處不在：

你的手指上的“簸箕”和“斗”似乎在指尖旋轉，院子里爬藤植物的莖葉，正繞著枝干呈螺旋式生長，抽水馬桶的水流旋轉著消失在下水道中，破壞力極強的臺風從高空旋轉到地面，動物的DNA呈現出雙螺旋結構……

海螺里有更神奇的螺旋：草帽螺和旋梯螺，兩個毫不相干的海螺，竟然能夠像螺絲和螺母一樣旋擰到一起！

當我們仰望星空，會發現幾乎所有星系都是呈螺旋形的。那么，哪一個星系是“螺絲”，哪一個星系又是“螺母”呢？

下一期我們將探索深海潛水器與海螺的“浮沉玄機”，掌握了這套“秘籍”后，潛入深海將不再遙不可及，也許有一天我們可以隨時“打車”去海底！