第三章 介质的阻力

  子弹和空气

  空气会阻碍子弹的自由飞行,这个事实,是大家都知道的,但是空气的这个阻滞作用究竟大到什么程度,恐怕只有很少人清楚。大多数的人大概有这样的想法,以为象空气这样我们平常几乎不觉察的柔软的介质,对于飞过的步枪子弹一定不会有多大妨碍的。

  但是,看一看图25就会明白,空气对于子弹的确有极大的妨碍。这张图上的大弧线表示没有大气的时候子弹飞行的路线;这颗子弹从枪口射出以后(用每秒620米的初速度依45度角的方向射出),在空中划出高10公里、长40公里的很大的弧线。实际上呢,这颗子弹这样射出以后,在空气里一共只能够划出4公里长的弧线。在这张图上,这条4公里长的弧线跟那条大弧线相比,几乎看不到什么了:空气的阻力竟是这么大!假如没有空气,步枪就可以从40公里远的地方把子弹射向10公里的高空再落到敌人的头上了!

 

  超远程射击

  有一次,德国炮兵一门大口径炮以很大的射角射击,意外地发现,本来应该落到20公里远的地方的炮弹,竟落到40公里的地方去了。原来,用极大的初速度依大角度向上射出的炮弹,到达了空气稀薄的高空大气层,那儿的空气阻力非常小;炮弹在这阻力极弱的介质里,飞过了极长一段路,最后,陡急地落到地面上。图26清楚地表示了:改变发射角度,会使炮弹飞行路线产生多么大的差别。

  这个现象的观察,给德国人奠立了设计从115公里外轰击巴黎的超远程大炮的基础。这炮制造成功以后,在第一次世界大战中,1918年的夏天,德国军队向巴黎发射了300颗以上的炮弹。


  关于这种大炮的情况是这样的,这是一根很大的钢筒,全长34米,粗1米;炮筒下部壁厚40厘米。炮重750吨。炮弹重120公斤,长1米,粗21厘米。装药要用150公斤的火药,可以产生5000气压的大压力,因此能够把炮弹用每秒2000米的初速度发射出去。炮弹是依52度的射角射出去的;炮弹射出去以后,划出了一个很大的弧线,弧线的最高点离地大约40公里,早已进了平流层。炮弹从它的阵地射到巴黎——全程115公里——所需要的时间是3.5分钟,里面有2分钟是在平流层里飞行的。


  第一座超远程炮的情形就是这样。这是现代超远程炮的祖先。

  枪弹(或炮弹)的射出初速度越大,那么空气的阻力也就越大。这个阻力并不跟射出初速度成简单的比例增加,而是增加得快得多——是跟初速度的二次方或更高次方成比例地增加的,至于究竟跟几次方成比例,那要看这个速度的大小来决定了。

  纸鸢为什么会飞起?

  你可曾想去解答,当你放纸鸢的时候把手里的线向前牵动,为什么纸鸢会向上飞起?

  假如你能够回答这个问题,那么你就可以明白为什么飞机会飞,为什么槭树的种子会随风传播,甚至可以部分了解原始人用的所谓飞旋标的奇怪运动的原理了,因为这一切都是属于同一种性质的现象。原来,正是那给枪弹和炮弹的飞行造成极大阻碍的空气,却使得槭树种子或纸鸢等轻巧的物体能够飘浮,同时还使得载了几十个乘客的沉重飞机也能够飞行。

  为了解释纸鸢上升的原因,让我们来研究那一幅简图。设MN线代表纸鸢的截面。当我们牵动纸鸢的线的时候,纸鸢便动起来,由于尾部的重量,就用倾斜的姿势移动着。现在,假定这个运动是从右向左的。让我们用a表示纸鸢平面跟水平线之间的倾斜角。现在来看一看在这个运动中的纸鸢上作用的有哪些力量。空气自然是应当阻碍它的行动的,它在纸鸢上施加一些压力。这个压力在图28上用箭头OC表示;因为空气总是依垂直的方向压向一个平面的,OC线也就画成跟MN垂直。这OC力可以分解成两个力,描出一个所谓力的平行四边形:结果OC力就分解成ODOP两个分力。这个OD力要把纸鸢推向后面,因此就要减低它的原来速度;另一个力OP呢,却把纸鸢拉着向上;它把纸鸢的重量减轻,而且,假如这个力量相当大,就可以把纸鸢的重量全部抵消,使它升起。正是因为这样,当我们把线向前牵动的时候,纸鸢就会向上升起。

 

  飞机这东西,其实也就跟纸鸢一样,不同的只是牵动纸鸢的线的人力,用飞机上的螺旋桨或者喷气发动机来代替了,螺旋桨或者喷气发动机使机身向前移动,结果就跟纸鸢一样,使它向上升起了。当然,这儿只是这个现象的一个极简单的解释;事实上,使得飞机升起的原因还有许多,这些原因将在另一节介绍

  活的滑翔机

  从上面一节可以知道,飞机的构造完全不是从模仿飞鸟得到的,象一般人所想象的那样,而应该说是从鼯鼠、鼯猴或者飞鱼模仿来的。不过上面所说的几种动物用它们的飞膜不是要向上升起,而只是为了要跳得远——照飞行上的术语来说,只是为了“滑翔下降”。对于它们,力量OP还不够跟它们的体重完全抵消;这个力量只能够减轻它们的体重,因此帮助它们从比较高的地点做长距离的跳跃。例如,鼯鼠就能够从一株树梢上跳到2030米以外的另一株树的比较低的树枝上。在东印度和锡兰等地方,有一种特别大的鼯鼠,这种鼯鼠大约象家猫般大小:当它展开它的飞膜的时候,有半米阔。象这样大的飞膜,能够帮助这种动物跳50米这么远,尽管它的身体比较沉重。至于产在菲律宾群岛等地的鼯猴,甚至可以跳到70米远。

 

  植物的没有动力的飞行

  许多植物也常要靠滑翔的作用散布它们的果实和种子。许多种果实和种子,有的长着成束的毛(例如蒲公英、婆罗门参和棉子,上面都有冠毛),它们的作用就跟降落伞相仿,有的幼芽保持平面的形状,能够在空中停留。这种植物滑翔机可以在针叶树、槭树、榆树、白桦树、白杨树、椴树和许多伞形科植物等上面看到。

  在一部叫做《植物的生活》的书里,我们可以读到下面几段文字:

  在没有风的晴天,许多果实和种子被垂直上升的空气流带到相当大的高度,但是在太阳没落以后,一般就又落回到不远的地方。这种飞翔的重要,并不只在于把植物散布得更广,而在于把它们移植到陡峭的斜坡和峭壁上突出的地方和缝隙上,因为它们的种子除此以外没有方法能够落到这种地方去,至于水平方向吹来的空气流,会把飘翔在空中的果实和种子带到极远的距离以外。

  有些植物的“翅膀”或“降落伞”只在飞行的时候固着在种子身上。有些蓟类植物的种子可以在空气里自由自在地飘浮着,但是一碰到障碍,种子就会跟“降落伞”分离,落到地面上去。这个现象说明了为什么这种植物会时常沿着墙壁和篱笆生长。但是也有一些植物的种子,却是始终跟“降落伞”连在一起的。


  图3031表示几种有“滑翔装置”的植物种子。

  植物的“滑翔装置”在许多方面甚至比人类的滑翔机还要完善。它们能够带着比本身重量重得多的物体一起升上去。此外,这种植物的“滑翔装置”还有一个特点,它们有自动的稳定装置;比方说你把素馨的种子倒转来让它落下来,它在空中会自动的倒转来把凸出的一面向下;假如这个种子在飞行的时候碰到障碍,它也不会失去平衡,也不跌下,而只是缓和地向下降落。

  迟缓跳伞

  写到这里,不由想起那些不打开降落伞就从大约10公里高空跳下的跳伞家的英勇跳伞的情形。他们在向下落下了全程的绝大部分之后,才扯动伞环,因此,只有降落的最后几百米是展开了伞降下的。

  许多人认为,不打开伞象石块似的直落下来,就跟在真空里落下一样。假如是这样的话,那么迟缓跳伞的降下时间会比实际所需要的少得多,而最后所达到的速度也会非常大。

  但是,空气的阻力妨碍了速度的增加。跳伞员的身体在不打开伞降下时候的速度,只在跳下以后的最初十几秒钟的时间里面,落下最初几百米的一段路上是增加的。空气的阻力是跟着速度的增加而增加的,而且增加得非常显著,很快就使速度不能够再增加上去。因此,这种运动就从加速运动变成匀速运动了。

  我们可以用计算的方法,从力学的观点上把迟缓跳伞的大概情形描绘出来。跳伞员在不打开伞落下的时候,加速度大约只在最初的12秒钟里是有的,也许还不到12秒钟,看人的体重而不同;在这十多秒钟里,跳伞员大约降下400450米,产生了大约每秒50米的速度。以后的全部不打开伞降落的路上,便都是用这个速度匀速落下的了。

  水滴落下的情形也大概是这样的,不同的只是水滴落下的第一段时间,就是速度仍旧在继续增加的时间,一共只有一秒钟,甚至还不到一秒钟。因此水滴的最后落下速度,象雨滴的落下速度,就不象迟缓跳伞的那么大。这个速度大约在每秒2?7米,看水滴的大小而不同

  飞旋标

  这是一种奇怪的武器,是原始人类技术上最完善的制品,这东西曾经在极长的一段时期里使科学家感到迷惑,没法解释它的道理。这种飞旋标投出以后在空中划出的奇怪的路线,真的要难倒每一个人的。


  现在呢,这个飞旋标的飞行理论已经十分详细地研究出来了,因此这种奇术也就不再认为是真的奇术了。在我们这本书里,对于这个现象做深入的研究是不可能的,我只打算告诉读者,这种飞旋标的不平常的飞行路线,是下面三个因素互相作用的结果:(1)原来投出的作用,(2)飞旋标的旋转,(3)空气的阻力。原始人会把这三个因素联在一起;他们会熟练地把飞旋标用适当的角度、力量和方向投掷出去,以便得到需要的结果。

  其实,我们每个人经过训练也都能够学到这种技巧的。


  为了在室内练习方便,我们只好做一只纸的飞旋标来用。这东西可以用卡片纸按图34的形状剪出,每边长度大约5厘米,阔1厘米不到些。把这纸飞旋标夹在拇指和食指之间,象图34所示,用另外一只手的食指向它弹去,用力的方向是向前但是略略偏向上方。这纸飞旋标就会从你手里飞出,飞了大约5米,划出一道圆滑的、有时相当美妙的曲线,而且,假如室内没有东西阻碍的话,就会又落回到你的脚边。

  这种飞旋标如果按图35的实际大小和形状来做,那么,你的实验就会得到更好的成就。飞旋标最好略微扭曲成螺纹形。这样的飞旋标在做相当练习之后,会在空中转出复杂的曲线,然后又落回到你的脚边。