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當(dāng)前位置:圖書頻道 > 兒童教育 > 中外物理故事:探索物理奧妙的理想 > 第 3 章 無處不在的力學(xué)故事--難以擺脫的束縛
第4節(jié) 發(fā)出“轟轟”聲的怪物

1944年6月6日,美國、英國在諾曼底地區(qū)實(shí)施大規(guī)模登陸,開辟歐洲第三戰(zhàn)場。

德軍腹背受敵,面臨徹度覆滅的命運(yùn)。

戰(zhàn)爭狂人希特勒為了作垂死的掙扎,把他手中的法寶,剛剛裝備部隊(duì)的秘密武器V-1和V-2導(dǎo)彈亮了出來,企圖用導(dǎo)彈對英國進(jìn)行襲擊,以挽回?cái)【帧?

1944年6月13日清晨,薄霧籠罩著英吉利海峽,陽光正緩緩地透過彌漫的晨霧照射著倫敦城。

這是個(gè)陽光明媚的好天氣。自盟軍在諾曼底登陸以來,人們臉上浮現(xiàn)出勝利的微笑。然而,就在這一天,當(dāng)?shù)匕傩阵@奇地看見幾個(gè)怪物,尾噴烈焰,直向倫敦?fù)鋪怼稗Z”一聲沉悶而巨大的爆炸聲驚天動(dòng)地,頓時(shí),人們愣住了,傻站在那里,互相對望,不知所措。

“發(fā)生了什么事?”

伴著刺耳的嘯叫,又有4起爆炸聲回蕩在倫敦上空。人們側(cè)耳細(xì)聽,試圖分辨出爆炸聲來自何方,高射炮旋轉(zhuǎn)著,皇家空軍的戰(zhàn)鷹緊急升空,到處尋找投彈的敵機(jī)。然而,天空卻是白茫茫的一片……與此同時(shí),在英國首都南部地區(qū)也發(fā)生了類似事件。

6月16日凌晨2時(shí)許,一陣凄厲的空襲警報(bào)劃破了倫敦寂靜的夜空,人們紛紛從床上躍起,奔向防空洞。住在倫敦南郊的防空隊(duì)員約翰·依福斯聽到警報(bào)后,迅速穿好衣服,向自己的戰(zhàn)斗崗位奔去。他剛出房門,便聽到天空中傳來奇怪的聲音,他循聲望去,發(fā)現(xiàn)空中有一個(gè)小亮點(diǎn),正發(fā)著怪聲斜著落向地面。

幾秒鐘后,便聽到一聲驚天動(dòng)地的爆炸聲。約翰·依福斯迅速向出事的地點(diǎn)奔去。當(dāng)他趕到出事地點(diǎn)時(shí),消防車和救護(hù)人員都已來到現(xiàn)場。

只見地面上有一個(gè)大坑,周圍散落著被燒焦的金屬碎片,但沒有發(fā)現(xiàn)飛行員的尸體。當(dāng)夜,倫敦南郊又落下了幾架這樣的“飛機(jī)”,同樣沒有找到飛行員的蹤影。

16日,納粹德國廣播電臺便宣布了襲擊倫敦的消息。納粹德軍偵察機(jī)在倫敦上空盤旋一陣后,得意揚(yáng)揚(yáng)地向柏林報(bào)告說:  “火勢比任何一次轟炸機(jī)的轟炸都更為猛烈!

17日,納粹德軍最高統(tǒng)帥部印制了一份傳單,向在諾曼底地區(qū)防守的德軍散發(fā),企圖為德軍鼓勁。傳單上寫著:

“……6月6日敵人侵入諾曼底沿海,16日我軍用新式報(bào)復(fù)武器對倫敦及英國東南部城市進(jìn)行猛烈的襲擊,使敵人遇到嚴(yán)重的困難,敵人的供應(yīng)和增援后備隊(duì)將陷入混亂……”

這里所說的“新式報(bào)復(fù)武器”,就是希特勒的秘密武器——V-1飛航式導(dǎo)彈。V-1導(dǎo)彈的總質(zhì)量為2200千克,彈長76米,最大直徑082米,翼展53米,使用脈沖式空氣發(fā)動(dòng)機(jī),戰(zhàn)斗部裝藥700千克,以550~600千米/時(shí)的速度航行時(shí)航程可達(dá)到370千米,飛行高度2000米,發(fā)射時(shí)用彈射器彈射升空,然后按預(yù)定彈道自動(dòng)操縱飛行。

從6月到9月的整個(gè)夏季,德國共發(fā)射V-1導(dǎo)彈9017枚,許多導(dǎo)彈突破了英國的防空火力網(wǎng)擊中了目標(biāo),使英國的大城市(特別是倫敦)遭到嚴(yán)重的破壞。9月8日,德軍又以世界上最早的彈道式導(dǎo)彈——V-2導(dǎo)彈對英國進(jìn)行更加猛烈的襲擊,至1945年3月27日盟軍攻占德軍設(shè)在瓦沙那爾的V-2導(dǎo)彈發(fā)射基地止,德軍共向英國發(fā)射V-2導(dǎo)彈約1115枚,向其他歐洲大城市發(fā)射V-2導(dǎo)彈約1675枚。

為什么導(dǎo)彈在長時(shí)間的飛行中都可以不需要駕駛員操作,而不會(huì)迷失方向?在導(dǎo)彈飛行的一系列復(fù)雜動(dòng)作中,關(guān)鍵是要保證導(dǎo)彈的自動(dòng)操縱系統(tǒng)能始終有一個(gè)固定的方位參照系。因?yàn)橹挥型ㄟ^彈體與這個(gè)參照系的對比才能辨別各種方位,而要做到這一點(diǎn),就離不開定向儀。

自動(dòng)定向儀的核心部分是回轉(zhuǎn)儀,它是根據(jù)小孩經(jīng)常玩耍的陀螺的原理制成的。玩具陀螺在急速轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)一般不會(huì)倒下來,偶爾由于其他因素?fù)u擺幾下,又會(huì)自動(dòng)地恢復(fù)原來的轉(zhuǎn)動(dòng)狀態(tài)。

玩具陀螺在地面轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí),由于僅靠其底部尖端觸地,所以阻力矩很小,即外力矩可以忽略不計(jì)。根據(jù)物體所受外力矩為零時(shí)角動(dòng)量守恒定律,陀螺的角動(dòng)量可近似看做保持不變,即陀螺能在較長時(shí)間內(nèi)圍繞原來的自身軸線旋轉(zhuǎn)。

根據(jù)陀螺的原理,人們設(shè)計(jì)制造了陀螺回轉(zhuǎn)儀。在支架上裝有可以轉(zhuǎn)動(dòng)的外框,外框內(nèi)又裝有可以轉(zhuǎn)動(dòng)的內(nèi)框,在內(nèi)框中安裝著高速轉(zhuǎn)動(dòng)的轉(zhuǎn)子,也就是一個(gè)高速旋轉(zhuǎn)的陀螺。由于外框和內(nèi)框以及陀螺轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)動(dòng)軸三者相交于轉(zhuǎn)子的重心,而且所有的軸承都十分光滑,所以,陀螺轉(zhuǎn)子可以在三維的空間中自由地轉(zhuǎn)動(dòng),它的轉(zhuǎn)軸方向不會(huì)因?yàn)榈鬃恢玫淖兓l(fā)生變化。

人們把這種陀螺回轉(zhuǎn)儀安裝在導(dǎo)彈內(nèi),并將底座固定在導(dǎo)彈中,這樣在導(dǎo)彈飛行過程中,無論導(dǎo)彈姿態(tài)如何變化,回轉(zhuǎn)儀的外框、內(nèi)框位置和方向發(fā)生變化,而高速旋轉(zhuǎn)的轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)軸方向是不會(huì)發(fā)生變化的,因而就成為一個(gè)可靠的方向參照系。有了這個(gè)參照系,就可以隨時(shí)測出導(dǎo)彈的滾動(dòng)或偏轉(zhuǎn),并及時(shí)由控制系統(tǒng)進(jìn)行校正,使導(dǎo)彈按照預(yù)定的方向飛行,直至擊中目標(biāo)。

一架裝有陀螺回轉(zhuǎn)儀的飛機(jī),在長時(shí)間的飛行中都可以不需要駕駛員操作,而不會(huì)迷失方向,甚至在降落的時(shí)候,自動(dòng)駕駛儀也可以操縱飛機(jī)從高至低逐漸下落,平穩(wěn)地降落在跑道上滑行,最后自動(dòng)地停下來。

陀螺回轉(zhuǎn)儀還被廣泛地運(yùn)用在坦克和艦艇的射擊控制系統(tǒng)中。在坦克和艦艇運(yùn)動(dòng)時(shí),不管如何顛簸、搖晃,陀螺回轉(zhuǎn)儀始終能給出一個(gè)基準(zhǔn)方位。依靠這一基準(zhǔn)方位,可以在運(yùn)動(dòng)過程中隨時(shí)測出炮管的方位變化,并依靠控制系統(tǒng)自動(dòng)進(jìn)行調(diào)整,保持炮管指向的穩(wěn)定。

陀螺回轉(zhuǎn)儀的作用不僅是上面所說的這些,更為奇妙的是,聰明的人類還利用地球的自轉(zhuǎn),發(fā)明了比磁羅經(jīng)更有用的陀螺羅經(jīng)。陀螺羅經(jīng)已經(jīng)成為現(xiàn)代軍艦不可或缺的重要裝置,每當(dāng)軍艦出海執(zhí)行任務(wù)之前,航海部門的戰(zhàn)士們就要啟動(dòng)陀螺羅經(jīng),經(jīng)過一段時(shí)間的運(yùn)轉(zhuǎn),陀螺羅經(jīng)的轉(zhuǎn)軸會(huì)穩(wěn)定在與地軸平行的方向上,這樣陀螺就指示出地理南北極了。

地球自轉(zhuǎn)又為什么會(huì)使陀螺羅經(jīng)的轉(zhuǎn)軸平行于地軸呢?原來,陀螺羅經(jīng)中的陀螺回轉(zhuǎn)儀內(nèi)環(huán)下部加裝了擺性裝置和阻尼器,利用擺性裝置獲得擺性力矩作為控制力矩,能使陀螺回轉(zhuǎn)儀主軸具有自動(dòng)找北的性能。

只要陀螺羅經(jīng)的轉(zhuǎn)軸不與地軸平行,旋轉(zhuǎn)中的陀螺總會(huì)受到科里奧利力,當(dāng)陀螺羅經(jīng)的轉(zhuǎn)軸與地軸垂直的時(shí)候,科里奧利力最大,而當(dāng)陀螺羅經(jīng)的轉(zhuǎn)軸與地軸平行的時(shí)候,科里奧利力等于零。能夠自由取向的羅經(jīng)里的陀螺,在這種科里奧利力的作用下,就會(huì)逐漸轉(zhuǎn)向與地軸平行的位置穩(wěn)定下來。

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