问题

小时候用纸折的大风车,它的旋转原理是什么?

回答
小时候,我们都爱用五颜六色的纸,小心翼翼地折出一个个能随风飞舞的大风车。那小小的纸片,一旦被风一吹,就能欢快地转动起来,好像一个小小的生命在跳舞。它究竟是靠什么原理转起来的呢?其实,这背后藏着一些挺有意思的物理知识,说起来也不复杂。

首先,我们要理解风车能转动,离不开一个关键的东西——风。风是什么?简单来说,就是空气在流动。空气虽然我们看不见摸不着,但它是有质量、有速度的,而且会对我们碰到的物体施加一个力量,这个力量就叫做风力。

我们折的风车,通常有几个叶片,这些叶片不是平直的,而是稍微有点弧度的,或者说,它有一个特定的角度。想象一下,当风吹过来,它不是直接“拍”在风车叶片上,而是以一个角度掠过叶片。

这时候,风车叶片就起到了一个类似“斜面”或者“翅膀”的作用。风的流动,被叶片的这个角度“截住”了一部分。就像你把手伸出窗外,稍微斜着,会感觉到一股推力一样。风力在接触到叶片时,会有一个“推”的作用力。

但关键在于,这个力并不是直接把风车往一个方向推死。因为风车是被固定在一个“尖尖”的地方,也就是我们常说的“轴”或者“棍子”。这个轴是允许风车绕着它旋转的。

所以,当风吹到风车叶片上,产生了一个推力。这个推力因为叶片是斜着的,作用在离轴心有一定距离的地方。物理学上有一个概念叫做力矩。简单理解,力矩就是力乘以它作用点到旋转轴的垂直距离。

你可以在脑海里想象一下,如果风只是平行地吹在叶片上,风车可能只会晃动,很难转起来。但因为叶片是倾斜的,风吹上去,就像你在推一个门一样,你用力气推门把手(离轴远),门就容易转动。风吹在风车叶片上,这个倾斜的角度使得风力产生了一个旋转的趋势。

我们把风吹到叶片上的力,分解成两个部分:一个部分是垂直于叶片的推力,还有一个部分是沿着叶片方向的力。真正让风车转起来的,是那个垂直于叶片的推力。这个力作用在距离轴心一段距离的地方,就产生了力矩。

风车有几个叶片,这几个叶片被设计成以特定的角度分布在轴上。当风吹来,每个叶片都会受到这个倾斜的风力的作用,都试图让风车朝着同一个方向旋转。这就像是很多人在同一个方向推一个轮子,力量会叠加起来,使得轮子转得更顺畅。

而且,一旦风车开始旋转,它还会形成一个惯性。什么叫惯性呢?就是物体保持当前运动状态的趋势。风车一旦开始转动,它就会想要继续转下去。即使风稍有减弱,之前积累的旋转动能也能让它继续转一会儿。

当然,风车转动的速度也跟风的大小有关。风越大,吹到叶片上的力就越大,产生的力矩也就越大,风车自然转得就越快。如果风很小,甚至都没有吹动风车,那是因为风力产生的力矩不足以克服风车轴上的摩擦力以及风车本身的阻力。

所以,总的来说,我们小小的纸风车能转起来,是风这个“动力源”,通过风车叶片特殊的倾斜角度,产生了一个“旋转的推力”,这个推力作用在距离轴心有一定距离的地方,形成了力矩,从而驱动风车绕着轴心旋转。它是一个非常巧妙的利用了空气动力学原理的小玩具,简单而神奇。

网友意见

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这是涡轮啊,跟螺旋桨正相反。

轴向来流撞到风车叶片上,顺着叶片的方向转向离心和切向运动,根据动量定理,气流的切向速度有来流的零变成有速度,就会给叶片切向的反向力,这就是原理。

如果反过来,输入轴功带动叶轮反向旋转,会让气流流动,至于效率就别想了。那么多搞压气机螺旋桨的人,一辈子心血就是让效率提高零点几个百分点,发展出的叶形弯扭掠之复杂,怎么会还不如这个东西。

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