和物理学家一起看电影 作者:郑载承-第10节
按键盘上方向键 ← 或 → 可快速上下翻页，按键盘上的 Enter 键可回到本书目录页，按键盘上方向键 ↑ 可回到本页顶部！
————未阅读完？加入书签已便下次继续阅读！
最近也出现了可以垂直起降的飞机。已经在影片《真实的谎言（True Lies）》中亮相的〃鹞式飞机〃就是那种类型的。但是直升机能做的事没有必要一定要价格昂贵的〃鹞式飞机〃做吧。
最先构想直升机的人是雷奥纳多·达宾奇在他之前已经有欧洲人或中国人想到了，但是人人都承认1490年在达宾奇的笔记本上勾画的直升机设想是最具体、最科学的形态。那以后虽然一度掀起了一阵研究直升机的狂潮，但是因为没有一种强力引擎能牵动直升机的自重和货物，所以没能进行正式的研究开发。后来波尔·库勒尼制造的载人直升机成功实现了垂直起飞，进入30年代成功地实现了垂直起降和向前飞行，直升机开始引起世人的关注。之后直升机历史上最著名的人物伊科·思卡斯基
在1939年首次乘坐自己研制的VS－300成功地进行了纪录式飞行。由此直升机的实用性为世人所知。第二次世界大战后确定了直升机设计的基本原则，如此才会出现现在众多的直升机。
直升机能飞上天的原理是什么呢？要想理解它必须先理解1600年代
伯努利发现的〃伯努利原理〃。如果知道了这个原理就能知道直升机升天的原理了。所谓〃伯努利原理〃就是类似空气或水的流体流速快，流体产生的压力就会变弱。所以水流动时如果一边的水势强，另一边弱那么水势弱的一边压力就大，水势强的一边压力就小。如果在它们之间放入树叶，树叶就会顺着水势强的一边。因为水势弱的一边压力大，水势强的一边就把树叶推向弱的一边。
半圆模样的木板经过大气时同样如此。把半圆圆的一面朝上放置以后，如果把半圆向前移动就把空气分成了上下两股气流。向上的空气就会沿着半圆圆的一边流动，向下的空气就会沿直线流动。因为半圆的长度更长，向上的空气流动更快。下面流动较慢的空气就被流动快的空气－压力较弱的－上方推动做半圆运动。这种力被称为〃举力〃。飞机能飞上天也是有了这种力的缘故。因为飞机的机翼上部旋转出的是流线型，所以就能很容易的上升。
直升机上升的原理稍微复杂一些。因为它虽然利用了举力但是和流线型的机翼产生的举力是不同的。直升机的旋转机翼上部和下部是一样的。那么是如何产生举力的呢？直升机改变旋转机翼的角度就产生了举力。
这可以坐在车上体会到。汽车行驶时把旁边的车窗放下后把手略微伸出窗外。如果把水平伸开的手稍微向前倾斜就能感到手在上升。在水平面上倾斜后接受风的上下面积不同就产生了举力。利用这个原理直升机把中央螺旋桨的机翼角度倾斜后使之旋转就产生了举力。
想要改变直升机方向时只要改变机翼面的角度就行了。这可以从陀螺上得到验证。轻轻拨动沿反时针方向急速旋转的陀螺的右边就会发现陀螺会向前旋转。陀螺旋转时同时进行两边的旋转运动。一种是自己沿着轴旋转的运动，另一种是沿着轴周围旋转的运动。一般旋转式这两个运动会保持均衡，如果拨动旋转的陀螺的一边，破坏了这种平衡，那么为了保持平衡陀螺就会反射似地向前旋转。物理学家们把这种作用称为〃旋进性（Gyroscopic Precession）〃（陀螺进动）。直升机向前飞行就是依据这个原理。
但是有一个问题。中央螺旋桨旋转的话直升机机体就会向相反方向旋转。这就是著名的牛顿〃作用与反作用法则〃。〃如果加强某一种力就会产生大小相同方向相反的另一种力〃。为了解决这个问题许多的科学家对此进行了研究。起初科学家们设计在中央螺旋桨上面再设置一个反方向旋转的机翼，用来抵消中央机翼旋转机体的力（物理学家们把使其这样旋转的力称为〃转矩（Torque）〃）。这种设计被叫做〃同轴反转式〃。
伊科·思卡斯基把在后部安装了垂直尾翼后解决了这个问题。垂直的尾翼起到了抵消中央螺旋桨产生的旋转力的作用。如果看过罗伯特·德尼罗和查尔斯格罗丁主演的影片《午夜狂奔（Midnight Run）》就会知道尾翼在使直升机不受中央螺旋桨作用发生旋转，保持平衡起到了多么大的作用。在格罗丁受到追击的场面中驾驶直升机的坏蛋向着落入江中的格罗丁开枪了。正在这时罗伯特·德尼罗从悬崖绝壁用枪打掉了直升机的尾翼。直升机突然失去重心，机体急剧旋转，最终坠毁了。
但是并不是一定要有尾翼。最近出现了没有尾翼的直升机。无尾翼的直升机叫做〃无尾NOTAR（No Tail Rotor）直升机〃。无尾直升机能在影片《生死时速》中看到。如果看了电影的话就会看见装备了炸弹发疯似地在公共汽车上空盘旋的一架直升机追逐的场面。那架直升机就是没有尾翼的直升机，既无尾直升机。
以制造军用武器公司闻名的麦克道奈尔·道格拉斯
公司制造的这架直升机利用了〃柯恩达效应（Coanda Effect）〃。所谓柯恩达效应是指如果把旋转的物体放入流动的流体中流体也随着旋转流动的现象。看起来理所当然的这个原理在无尾直升机上起到了重要的作用。如果中央机翼旋转，被机翼推向下的气流就会变强。这样的气流会妨碍直升机的升空。所以取代尾翼在后部安装了空气吸入器后，加速向下的气流把其导入输油管旁边的凹槽。那么根据柯恩达效应气流就会沿着输油管呈圆形旋转排出。这类似于飞机的尾翼。只是使其垂直而不是水平，利用这种原理的空气吸入器就取代了尾翼的作用。
因为直升机是利用螺旋桨旋转调节周围的空气飞行的，所以不光是机翼旋转产生的风还有相对风，换句话说直升机机体前进时也受到前方吹来的风的巨大影响。因为相对风的原因，螺旋桨的旋转速度和直升机的前进速度被限制在最大速度内，所以制造出超音速的直升机相当困难。
而且像《碟中谍Mission Impossible》的最后一个场面中出现的一样，直升机进入地铁的隧道，和地铁展开追击战几乎是不可能的。因为地铁隧道是一个密闭的空间，地铁以数百公里的时速行驶，所以地铁的气流处于湍流Turbulence（剧烈的摇动）状态。在不规则旋转的气流中直升机是很难正常飞行的。
描述了攻击型直升机〃蓝霹雳〃的影片《蓝色霹雳号》中最后出现了直升机回旋360度的场面。法兰克·莫非（罗伊·歇德）驾驶着蓝霹雳和匪徒展开了战斗，但是手上被枪击中了。为了从中脱离出来，于是出现了蓝霹雳回转360度的场面。当然这个场面是摄像机的假象技法，实际上并非直升机回转了360度。但是这种场面现实中不能拍摄到吗？
首先，理论上说无论什么直升机都能旋转一个360度的圆圈。飞机做360度旋转时首先要提高速度。那么如果使直升机前部升高－即如果拉升操纵杆－飞机就处于头向天的垂直状态。因为这时慢慢松开拉住的操纵杆，飞机向后飞行时受到与重力相反方向力的作用就上升了。
直升机为了旋转360度完全翻转时必须受到反重力方向的力。但是因为这是和平是上升时相反的情况，所以必须把中央螺旋桨的角度调整到相反方向。然而实际上还没有一个操控这种技术的驾驶员。因为不仅平时飞行中不需要这种技术而且直升机做360度旋转时相当危险的。所以按照法律航空表演时也禁止飞机做360度旋转。但是无论如何〃理论上〃是可行的。这可以从用电波操纵的模型直升机试验中获知。模型直升机的360度回转是可能的。
最近因为科索沃战争的关系隐形飞机一度成了新闻的焦点。隐形飞机能扰乱或分散雷达发出的电波，还能通过覆盖技术吸收电波，是为了不被雷达追踪到而开发出来的轰炸机。象征美国自尊心的隐形飞机在攻击南联盟的军事设施时不幸坠落了。虽然高达数百亿的武器瞬间就变成了一堆废铁是件令人痛心的事，但是连日新闻中却有人指出〃这难道不正发现了隐形飞机存在的技术缺陷吗？〃。坠落一架轰炸机就在新闻上大书特书，如果电影中直升机坠落或客机爆炸的事情在现实中发生将会成为多么轰动的新闻啊？可能是电影看得多了的缘故，这只是驾驶员需要担心的事，而对隐形飞机坠落并没有多少兴趣。
《与物理学家一起看电影》连载（16）
变蝇人
可能制造出瞬间移动装置吗？
如果原地不动而能瞬间移动到自己想要达到的地方该有多好啊？虽然现在已经是一天就能到达世界任何一个地方的地球村时代了，然而人类的欲望还远远没有尽头。那就是酷似影片《星空奇遇记》或《变蝇人（The Fly）》中出现的瞬间移动装置（Teleportation Machine）。但是仍然有人在为实现科学家在夏天大白天做的梦而努力。
1997年12月英国著名的科学杂志《自然》上刊登了一篇举世震惊的论文，是关于奥地利茵斯布鲁大学的6名实验物理学家成功地使光子瞬间移动的内容。光具有粒子性和波动性，在微观世界中以称为〃光子〃的粒子形态存在。他们就是成功地使光子实现了瞬间移动。他们设计的装置虽然是依据量子物理学法则被限定在光子范围，但是很多人认为科幻电影中的事现实中都是可能实现的，对此很感兴趣。
《变蝇人》中主人公科学家开发了瞬间移动装置。他研究的这个瞬间移动装置的原理如下。首先，存储所有关于组成物体（或人）的原子信息后已超高速传送到目的的。信息和物体不同，它可以快速传送。但是由于信息不能重新还原成物质，物体也必须以原子单位分割后才能传送。利用这样传送的信息和原子单位的材料如果能瞬间重新组成原来的物质就能成功地进行瞬间移动。然而为了测验这个装置主人公科学家钻入了装置，因为一只苍蝇不经意间也一起飞了进去，于是苍蝇和科学家融合后出来了一个苍蝇人。
影片《星空奇遇记》中瞬间移动装置也起了重要的作用。由罗伯·韦斯制作拍摄的这部科幻电影近30年来一直以电视系列片的形式放映，受到了观众的热烈欢迎，已经数次被拍成电影。主要内容是讲述主人公乘坐〃企业〃号飞船向太空进发时经历的各种外太空文明的冒险故事。这部影片中瞬间移动装置以把太空船内的宇航员瞬间传送到偏僻行星的表面的装置登场。
起初罗登·贝利设计了一艘非常漂亮的太空船，但是出现了一个问题。那就是虽然〃企业〃号飞向太空时能顺畅地飞行但是着陆时却像左右摇晃的企鹅似的无法自由。再加上微薄的制作费，这艘太空船很难让观众看到它在行星表面着陆的场面。所以为了使太空船不着陆而把宇航员送到行星的表面，他们想出来的装置就是瞬间移动装置。
那么果真能瞬间移动吗？虽然光子状态的光成功地实现了瞬间移动但是要开发出像影片中那样连人也能瞬间移动的装置各方面都存在很多问题。有一本书尖锐地指出了瞬间移动装置的科学上的问题。那就是1995年著名的物理学家罗兰斯·克劳斯写的《星空奇遇记的物理学》。这本书很有意思，而且写得简单明了，书中凝聚了主攻中微子的理论物理学家渊博的知识，尖锐地指出了瞬间移动装置的科学性错误和不可行性。
首先，为了存储包含组成人体的原子的信息需要多大的容量呢？人体约有1028个原子组成。要知道每个原子所在的位置，每个原子就需要三个坐标。而且必须知道电子占有的能量准位、原子之间的结合强度和分子的运动状态等情况。存储所有这些信息每个原子约需要1
千字节。那么一个成人的信息量约达到1028kb。即使把全世界的书籍聚集在一起，信息化后存储的量才1012千字节
，所以存储一个人的信息需要难以计数的记忆卡。现在市场上销售的10吉硬盘一张的高度是3。5厘米，如果把人体的信息分散存储在多个硬盘内，总的高度将达到我们居住的银河系的宽度，即3500光年。
而且即使能成功实行存储，传送那些信息也不是件容易的事。有人计算后得出如果以每秒100兆的数字信息速度传送，那么传送一个人的信息量需要的时间是宇宙年龄的2000倍。（据推测，宇宙的年龄约是100亿岁）
而且分解组成人体的原子后如何传送也是一个问题。如果把物质解体成原子单位就需要惊人的能量来割断原子间结合能量。另外为了以接近光速的速度传送原子又需要许多的能量。因为如果加速原子至接近光速的速度，必须投入相当于整个粒子静止质量能量（E=mc2）的能量。
另一个难题在
