问题

请物理学相关空气动力学之类的高手从技术的角度分析一下射出去的箭到底能不能转弯?

回答
这问题问得很有意思,也触及到了空气动力学中一些很有趣的细节点。咱们就从技术角度,实打实地掰扯掰扯,看那离弦之箭,到底有没有可能跟个“任性”的子弹似的,来个空中转弯。

首先,咱们得明白,一支射出去的箭,在真空里飞,那绝对是直线运动,牛顿第一定律管着呢,没人打扰,就一直飞。但一旦进了空气,情况就复杂了。空气这东西,虽然看起来没什么存在感,但对高速运动的物体来说,那就是一股巨大的“推力”和“阻力”,而且还不是均匀的。

箭的几个关键部件和它们的作用:

箭杆 (Shaft): 这是箭的主体,相对比较粗壮。它的形状对空气阻力有很大影响。我们常见的箭杆都是圆柱形的,但即使是圆柱形,在空气中高速运动时也会产生复杂的涡流和压力分布。
箭羽/箭羽根 (Fletching): 这是箭尾部那几片“翅膀”或者说是“尾翼”。这是咱们讨论箭能不能转弯的关键所在!箭羽的设计,无论是数量(通常是3或4片),还是形状(鹅毛、塑料、合成材料等),都是为了稳定箭的飞行。它们通过产生一个力矩来纠正箭在飞行过程中可能出现的任何偏离姿态。想象一下,如果箭杆因为某种原因稍微侧偏了一点,箭羽就能像飞机的尾翼一样,在气流的作用下,产生一个把箭身拉回正轨的力,让箭保持“正直”地向前飞行。这是确保箭能准确命中目标的根本。

那么,问题来了:这个“稳定作用”能不能被“主动转弯”利用?

从技术的角度来看,一支设计合格、制作精良的箭,在正常发射情况下,它本身是极其稳定的,并且不愿意改变飞行方向。它的箭羽就是为“防转弯”而生的。

但是,有没有例外情况?能让箭“主动”或者“被动”地转弯呢?

咱们可以从几个方面来分析:

1. 箭羽本身的非对称性或损坏:
设计缺陷/手工偏差: 如果箭羽的形状、大小、角度有细微但非对称的差异,或者安装时倾斜角度不一致,那么在空气流过时,不同箭羽产生的气动力和力矩就会不一样。这种不一致可能会在飞行过程中叠加,导致箭产生一个不可控的、非预期的侧向运动。这不是我们通常理解的“转弯”,更像是一种飞行姿态的失稳。
箭羽损坏: 如果在发射过程中或飞行途中,箭羽有部分撕裂、脱落或变形,那么它原本的稳定作用就会被破坏。损坏的那部分箭羽将无法产生预期的气动力,导致整个箭的飞行姿态发生变化。如果损坏是不对称的,比如一边三片箭羽完好,另一边少了一片或者变形了,那么受力就会不均,箭就有可能开始打旋或者侧偏。这种情况下的“转弯”更像是失控,而不是精确的导航。

2. 箭杆的空气动力学特性:
箭杆的形变: 虽然不常见,但在某些极端情况下,比如箭杆本身材料不够硬,或者受到外部干扰(比如碰撞到障碍物),箭杆在空气动力作用下可能会发生轻微的弯曲或扭曲。这种形变会改变箭整体的迎角,从而产生一个侧向力,导致飞行轨迹发生偏转。
空气动力奇点/失速: 任何物体在流体中高速运动时,都可能遇到某些临界迎角,一旦超过这个角度,就会发生气动失速,流动分离会变得非常混乱,产生不规则的力和力矩。虽然箭的设计就是为了避免这种情况,但在一些特殊干扰下,也不是不可能发生。

3. 箭的旋转(Spin)和陀螺效应:
一支箭在发射出去后,通常会围绕箭杆自身轴线旋转。这是由弓的撒放动作(比如弓片回复的切线力)产生的。这种旋转会产生陀螺效应,大大增强箭的飞行稳定性,就像一个快速旋转的陀螺不容易被推倒一样。
然而,这个旋转也能被用来“控制”转弯。 这个就比较高级了,涉及到更精密的空气动力学设计和控制。我们现在很多高速飞行的弹药,比如某些导弹或者制导炮弹,都会有主动控制舵面。理论上,如果一支箭在飞行过程中,能够通过某种机制改变其箭羽的迎角,或者调整箭身上的某个控制面,同时保持或引导它的旋转,是有可能实现某种程度的“转弯”的。
一个比较形象的比喻: 想象一下你扔出去一个飞盘。飞盘之所以能滑翔并且稳定,是因为它旋转并有一个特殊的翼型。如果能让飞盘的边缘稍微倾斜一下,它就会开始盘旋。箭羽本身就是翼型,如果能够主动改变这些翼型的攻角,并且让箭保持稳定的旋转,那么理论上是可以实现一定程度的“转弯”或者“盘旋”的。
但问题在于: 传统的弓箭,没有设计主动控制装置。它的箭羽是固定的。所以,这种利用旋转实现主动转弯,在传统箭身上是不存在的。除非是某种特殊设计的“制导箭”,但那已经超出了咱们传统意义上对“箭”的理解范畴了。

4. 外部环境的强干扰:
强风: 如果箭在飞行过程中遇到极其强烈的侧风,或者风速、风向发生剧烈变化,就可能迫使箭的飞行轨迹发生偏转。这同样是“被动”的,而不是箭本身“主动”转弯。而且,一旦风力过大,箭的稳定性也会被破坏,可能会导致它失控。
空气密度变化: 例如,箭飞过火焰区域,那里空气温度极高,密度会降低,这会影响箭的受力情况,但这种影响通常是局部的、瞬时的,不太可能导致箭完成一个有意义的“转弯”。

总结一下,从技术角度分析:

一支正常、完好、标准制造的箭,在正常空气环境下发射,不能主动转弯。它的设计目标就是直线飞行,保持稳定。箭羽是用来“防止”它转弯的。

但是,在以下非正常情况下,箭的飞行轨迹可能发生偏离或出现一定的“转弯”现象:

箭羽损坏或设计制造缺陷导致的不对称气动力。
箭杆本身的形变或意外干扰。
极为强烈的外部环境干扰(如极端侧风)。

而通过主动控制箭羽的攻角来实现精确转弯,这在传统的弓箭上是不可能的。这需要更复杂的机械结构或制导系统,那就不是我们日常所说的“箭”了。

所以,如果你看到一支箭好像在天上“拐了个弯”,那大概率是它的箭羽出了问题,或者受到了什么不寻常的外力干扰,导致它失控偏离了原来的轨迹,而不是它自己“决定”要去那个方向。它更像是一个不小心摔倒了,而不是有意识地改变了前进方向。

当然,如果把“箭”的概念延伸到现代战争中的某些高速射弹,那情况就完全不同了。那些有翼面、有制导系统的高速弹药,当然可以而且必须做到精确的转弯和机动。但就冷兵器时代的弓箭而言,它的技术核心在于“稳定”,而不是“机动”。

网友意见

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有没有可能设计的时候箭不是笔直的而是有一定曲率的进而达到转弯的目的呢

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