物理老師教你玩轉竹蜻蜓

張軍

很多傳統的小玩具都富含科學原理，比如陀螺、撥浪鼓、竹蜻蜓、風箏等。今天，張老師帶著大家用吸管和卡紙來做竹蜻蜓，并了解它的基本工作原理。在基本造型的基礎上，每個人都可以加入自己的創意。

竹蜻蜓的飛行原理

竹蜻蜓是流傳很廣的傳統玩具，具體發明時間已不可考。它由兩部分構成：一是旋翼，俗稱“翅膀”；二是與翅膀垂直的竹柄。通常的玩法是，雙手快速搓動直立的竹柄，讓翅膀向著特定的方向旋轉，竹蜻蜓就會飛起來（圖1）。這種簡單的結構和玩法曾讓西方傳教士驚嘆不已，還給竹蜻蜓起了個“中國螺旋”的名字。據說，20 世紀30 年代，德國人受到竹蜻蜓的啟發，發明了直升機的螺旋槳。

竹蜻蜓以安裝竹柄的圓孔為中心，兩側的旋翼削成了斜面。將直立的竹柄水平旋轉180°，轉動過來的旋翼傾斜方向與轉動離開的旋翼傾斜方向相同（圖2）。搓動竹柄時，旋翼朝下的那個面是迎風面，會對空氣施加壓力。理論上，這個壓力的方向垂直于迎風面向下，同時迎風面也會受到空氣的反作用力，反作用力垂直于迎風面向上，提供了竹蜻蜓向上運動的“升力”。但實際情況會復雜得多，竹蜻蜓旋轉時會在空氣中形成渦流，導致在不同方向上形成空氣壓力差；上升時，空氣還會對竹蜻蜓施加阻力，竹蜻蜓自身還受到重力。所以，竹蜻蜓的飛行狀況是多個因素共同決定的。改變竹蜻蜓的質量分布、旋翼面積、斜面的傾斜程度等，都會影響到竹蜻蜓的飛行。

在真正的航空航天飛行器的設計中，除了考慮結構，還要考慮強度、彈性、控制、系統整合以及不同姿態、不同速度下的動態特征等，涉及力學、數學、材料學、系統工程等多個學科領域的理論和方法。所以，飛行器的設計是尖端科技（圖3，殲-20戰斗機）。

為了簡化問題，我們只分析作用力和反作用力。

如果反方向搓動竹柄，讓旋翼朝上的那個面變成迎風面會怎樣呢？不難分析，在重力和空氣施加的向下的反作用力共同作用下，竹蜻蜓將迅速地向下掉落。

如果讓竹柄處于水平方向，而讓旋轉面處于豎直方向呢？不管正方向還是反方向搓動竹柄，空氣的反作用力都會讓竹蜻蜓沿著水平方向飛行，加上重力的作用，竹蜻蜓將做不斷向下彎曲的曲線運動。

如果讓竹蜻蜓上下顛倒放置，竹柄位于翅膀上方呢？快速搓動竹柄，讓旋翼朝下的那個面迎風，竹蜻蜓依然會向上飛翔（圖4）。

用吸管和卡紙制作竹蜻蜓

竹子取材方便，這讓竹蜻蜓易于在民間流行。但是，如果旋翼的斜面傾斜不對稱，或者搓動時竹柄不在豎直方向，或者重力分布不均勻，都會導致竹蜻蜓飛向意想不到的方向，有可能給自己或身旁的伙伴帶來傷害。人的裸露部位被竹蜻蜓撞到，疼痛感還是很強的，甚至會淤青或出血。

現在市面上有塑料竹蜻蜓出售，材料變了，我們依然稱其為“竹蜻蜓”。塑料制作的竹蜻蜓輕便、廉價，葉片的傾斜角度適中，頭朝上飛或頭朝下飛，飛行姿態都比較平穩。撞到人的概率低，即使撞到，造成的傷害程度也小，比較適合小朋友們玩（圖5）。

其實，只要有硬質的吸管和卡紙，我們在家就可以制作竹蜻蜓。

用卡紙制作翅膀，用較厚的卡紙剪出一個長20 厘米左右、寬1.5 厘米左右的紙條，在中點對折，做出長10 厘米左右的兩個旋翼。用吸管取代竹柄，在吸管一端沿吸管軸線方向剪出1.5 厘米長的槽口。將紙條對折后插入吸管的槽口內，吸管要正好夾在紙條的正中間。另外裁剪一段寬度適中的紙條，在紙條一面貼上雙面膠，然后用這根紙條將吸管和卡紙的連接處固定。仿照竹蜻蜓翅膀的斜面，將兩條卡紙旋翼沿根部對稱折出傾斜的折痕，竹蜻蜓就做好了（圖6）。根據旋翼的迎風面方向，快速搓動吸管，竹蜻蜓就會飛起來。

如果竹蜻蜓飛不起來，可以考慮以下幾方面原因：搓動吸管的方向反了、兩個旋翼的折痕不對稱、旋翼的傾斜程度不合適、翅膀太長或太短、兩個旋翼的傾斜程度不同、旋翼之間的夾角太大或太小。如果竹蜻蜓能飛起來，但是很快就落地了，可能是搓動吸管時吸管沒有保持豎直，重新調整一下姿態即可；也可能是裝置太重了，可以考慮將吸管從下面剪去一截，或將太長的翅膀剪短。當然，也可以通過自己的觀察作出猜想，嘗試改正或修正，或許你會有不一樣的收獲和成就感。

拓寬思路的創意玩法

創意的玩法有很多，簡單介紹幾種，以拓寬大家思路。

增大旋翼末端質量，比如粘貼兩層卡紙，或者夾個回形針，這樣可以增大竹蜻蜓轉動的慣性，讓竹蜻蜓旋轉得更久。

也可以重新設計，做一個三旋翼的竹蜻蜓。也可以在旋翼下面貼一小截白紙條，當竹蜻蜓旋轉上升時，你會看到一個旋轉的白色圓圈，這是因為視覺暫留。當然，你也可以貼上不同顏色的小紙條或用彩筆畫上不同的顏色，感受一下轉動時看到的色彩有何不同（圖7）。也可以將你制作的吸管竹蜻蜓與買來的塑料竹蜻蜓組合成一體，讓它們“比翼雙飛”（圖8）。

再想一想，能做一個發出聲音的竹蜻蜓嗎？能做出多旋翼的竹蜻蜓嗎？能做出發光的竹蜻蜓嗎？開動腦筋，你就會發現，創意無處不在，科學就在身邊。

（責任編輯：白玉磊）