紙藝與科學(xué)之漫談飛機(jī)

顧冰

在號稱拍出了中國家長之痛的印度電影《起跑線》中，男主有一段感慨——貧民窟的孩子有許多簡單的快樂，而集萬千寵愛于一身的上層階級的孩子在沒有那些電子產(chǎn)品時(shí)已不知如何保持開心。這的確很諷刺但也很真實(shí)。如今，隨著生活條件越來越好，那些簡單的快樂卻變成了奢侈品，一些經(jīng)典的玩具比如老洋片、雞毛毽、萬花筒已成模糊的記憶。今天我們就來喚回那份簡單的快樂，一起來折一架承載著許多人童年無限回憶的“爆款”玩具——紙飛機(jī)。

說起紙飛機(jī)，那可是一種又便宜又好玩的小成本手工玩具，隨手拿起一張紙，正反折疊幾回，一只紙飛機(jī)就做成了。不過，要想折出一只飛得又高又遠(yuǎn)的紙飛機(jī)，其中的學(xué)問可大著呢！

飛機(jī)的飛行原理涉及空氣動(dòng)力學(xué)、伯努利原理、仿生學(xué)等領(lǐng)域的知識(shí)，它的創(chuàng)造過程可是幾經(jīng)起伏，一些飛行先驅(qū)為了研究可控飛行機(jī)器甚至付出了生命的代價(jià)。最終發(fā)明出飛機(jī)的是一對學(xué)歷不高，以修自行車謀生的兄弟——威爾伯·萊特和他的弟弟奧維爾·萊特。萊特兄弟之所以能成功正是因?yàn)樗麄兺黄屏怂季S定式，開辟了新路。當(dāng)時(shí)許多發(fā)明家的成功都印證了愛迪生的那句名言：“天才就是1%的靈感加上99%的汗水?！钡R特兄弟并沒有像其他發(fā)明者一樣，憑借經(jīng)驗(yàn)和想象不斷地設(shè)計(jì)飛行器進(jìn)行試飛，而是潛心鉆研了空氣動(dòng)力學(xué)之父喬治·凱利的理論，并制造了一個(gè)能對模型機(jī)翼進(jìn)行準(zhǔn)確試驗(yàn)的風(fēng)洞，在兩個(gè)多月的時(shí)間里使用風(fēng)洞進(jìn)行了 200 多次各種類型翼面試驗(yàn)，最終根據(jù)試驗(yàn)數(shù)據(jù)設(shè)計(jì)出了飛機(jī)。

萊特兄弟打破的另一思維定式是一直以來人們對于機(jī)翼大小的限制。當(dāng)時(shí)人們總擔(dān)心機(jī)翼過大會(huì)使飛機(jī)難以操縱，所以許多機(jī)翼面積都限制在200平方英尺下，但其實(shí)機(jī)翼面積過小會(huì)導(dǎo)致飛機(jī)的升力不足。此外，駕駛員的重量也影響著升力，駕駛員自身的位置變化更嚴(yán)重影響飛機(jī)的重心，駕駛員往往需通過改變身體位置來控制飛機(jī)的飛行姿態(tài)，這對他們的操作技術(shù)要求非常高，稍有不慎就有可能機(jī)毀人亡！萊特兄弟不走尋常路，干脆把機(jī)翼增大一倍，達(dá)到308平方英尺，然后設(shè)計(jì)出直接控制機(jī)翼來操縱飛機(jī)飛行姿態(tài)的操作方式，飛機(jī)整體的升力增加后，飛機(jī)對于駕駛員自身位置的變化也不那么敏感了。

飛機(jī)能飛主要是符合伯努利原理，即流體（既包括氣流也包括水流）的流速越大，其壓強(qiáng)越小;流速越小，其壓強(qiáng)越大。舉個(gè)例子，當(dāng)你把兩張A4紙面對面靠攏，然后往兩張紙的中間吹氣，你可能會(huì)認(rèn)為這兩張紙應(yīng)該會(huì)被吹向兩邊，但事實(shí)是兩張紙反而越靠越近。這是因?yàn)榇禋鈱?dǎo)致兩張紙中間的氣流速度快，壓強(qiáng)小，兩邊的氣流速度慢，壓強(qiáng)大，壓力差使得兩張紙會(huì)往中間并攏。飛機(jī)機(jī)翼的工作方式也是利用了伯努利原理，當(dāng)機(jī)翼在空中飛行時(shí)，空氣流過上表面的速度比下表面快，機(jī)翼下表面的壓力更大，這就是升力的來源。早期的制造者希望造出最輕的機(jī)翼，因此機(jī)翼造得很輕薄，并用張力線加固。一戰(zhàn)期間雙翼機(jī)第一次使用了更厚、更小阻力的翼型。但直到結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)得到改進(jìn)的“噴火”時(shí)期，無支撐懸臂式機(jī)翼才被做得更厚，以適應(yīng)高速的飛行。

號稱美國空軍21世紀(jì)主力軍種的F-22“猛禽”戰(zhàn)斗機(jī)全長18.92米，翼展13.56米，主翼面積達(dá)78平方米，最大速度高達(dá)每小時(shí)2081千米，最大起飛重量可達(dá)到27216千克。今天我們就來挑戰(zhàn)一下，制作這個(gè)龐然大物的紙質(zhì)模型。

首先我們要制作出一個(gè)基本的風(fēng)箏形狀。取一張A4紙，按照步驟1-6，裁成正方形，對折后得到一個(gè)三角形，將三角形底邊的兩個(gè)角沿著中線往上翻折后，剪去頂部兩個(gè)角。將得到的菱形的上面兩條邊折向中線，得到步驟5的風(fēng)箏形狀，反面效果如步驟6所示。

做兩個(gè)風(fēng)箏形狀后，把其中一個(gè)將底部的三角形往下翻折，將兩個(gè)風(fēng)箏形狀的A.B兩個(gè)三角形折在一起，如步驟9所示粘貼起來。再把步驟9中右邊尖筒的底部剪開折出兩個(gè)小角，將兩個(gè)尖筒穿插在一起，就得到了如步驟11所示的機(jī)頭形狀。我們將這個(gè)機(jī)頭定為1號零件。

接下來要制作2號零件，也就是三個(gè)風(fēng)箏形狀的組合件。取三個(gè)風(fēng)箏形狀，如步驟13將其中兩個(gè)風(fēng)箏形狀的一邊三角形折到另一半三角形下面，并粘貼起來，得到兩個(gè)如步驟14的形狀。再將其放在第三個(gè)風(fēng)箏形狀的兩個(gè)三角形的下面，粘貼起來，得到如步驟16所示的三個(gè)風(fēng)箏形狀的組合件，并依法再制作1個(gè)同樣的組合件。

3號零件為直四角錐。我們?nèi)∫粋€(gè)風(fēng)箏形狀，將下面的三角形底邊中點(diǎn)左右1厘米各取兩個(gè)點(diǎn)，連接定點(diǎn)和這兩個(gè)點(diǎn)，得到兩條線。沿著底邊和這兩條線，折疊風(fēng)箏形狀，并將其兩邊的三角形粘貼起來，得到如步驟21的直四角錐形狀。這樣的直四角錐也需要制作2個(gè)。

4號零件是非常重要的飛機(jī)主翼。先將一個(gè)正方形對折，得到一個(gè)三角形，再將三角形的兩個(gè)角沿中線向上對折，最后將得到的圖形沿中線對折。將底部折進(jìn)一個(gè)小角，翻開小角，減去下面半個(gè)三角形，將剩下的三角形沿中線剪開，往里翻折后如圖30那樣再折出兩個(gè)小角，最后將步驟30形狀的左右兩面粘貼起來，得到如步驟31的主翼形狀。同樣需制作2個(gè)主翼。