徐小龍

無論是萬米級(jí)載人潛水器還是潛艇、游輪、軍艦，只要是在水里航行的大型機(jī)械裝備，它們都有一個(gè)原理相同的動(dòng)力裝備——螺旋槳推進(jìn)器。那“螺旋槳”和海螺有什么神秘聯(lián)系呢？單從文字看，螺旋槳里有一個(gè)“螺”字，奧秘是否就藏在這個(gè)字里面呢？它們和宇宙之間又有什么關(guān)系呢？

無論是萬米級(jí)的載人潛水器“奮斗者”號(hào)，還是我國(guó)第一艘載人潛水器“蛟龍”號(hào)，它們能夠在深海里自由遨游，依賴的就是身上的多個(gè)螺旋槳推進(jìn)器。

以“蛟龍”號(hào)為例，它一共裝有7個(gè)螺旋槳推進(jìn)器。這些螺旋槳推進(jìn)器就像魚鰭一樣，幫助潛水器靈活地前進(jìn)、后退、上浮、下沉、左右側(cè)傾和轉(zhuǎn)向——潛水器頂部的推進(jìn)器，就像魚的背鰭，幫助潛水器轉(zhuǎn)向;左右兩側(cè)各一個(gè)，就像魚的胸鰭或腹鰭，幫助潛水器上浮、下沉或側(cè)傾;尾部有四個(gè)，就像魚的尾鰭，幫助潛水器前進(jìn)和后退。

相較于“蛟龍”號(hào)來講，“奮斗者”號(hào)螺旋槳推進(jìn)器的位置則更為隱蔽——幾乎是鑲嵌在潛水器外殼浮力材料的凹槽通道里。這樣的設(shè)計(jì)一是讓潛水器的外觀更加美觀，凸顯流線型;二是起到了很好的保護(hù)作用，避免外力磕碰造成螺旋槳損壞。

輪船的輪子去哪兒了？

潛艇和輪船不像潛水器那樣需要完成很多精細(xì)動(dòng)作，所以它們大多只在尾部裝有一個(gè)或兩個(gè)巨大的螺旋槳推進(jìn)器。

同學(xué)們可能要問了：輪船為什么不是依靠輪子前進(jìn)，而是依靠螺旋槳呢？其實(shí)呀，一百多年前的輪船確實(shí)是有輪子的，螺旋槳的發(fā)明，源于一次“意外”。

當(dāng)時(shí)的輪船上裝著巨大的輪子，就像我國(guó)古代農(nóng)田中用于灌溉的水車，起到劃水的作用，稱為明輪。有的明輪安裝在左右船舷旁，叫船側(cè)明輪;有的安裝在船尾，叫船尾明輪。它們?cè)谡羝麢C(jī)的帶動(dòng)下轉(zhuǎn)動(dòng)，推動(dòng)輪船前進(jìn)或者后退。

但是這種明輪船有很大的局限性，稍微遭遇一點(diǎn)兒風(fēng)浪，船身就會(huì)嚴(yán)重地左右搖晃，輪子也很容易被損壞，戰(zhàn)艦上的明輪更是敵人重點(diǎn)攻擊的目標(biāo)。

聰明的工程師們想起了阿基米德，就是那位“給我一個(gè)支點(diǎn)，我能撬起地球”的古希臘數(shù)學(xué)家、物理學(xué)家。阿基米德為了幫助尼羅河邊的農(nóng)民從地勢(shì)低洼的河里引水去灌溉地勢(shì)較高的農(nóng)田，發(fā)明了一種螺旋水泵，搖動(dòng)手柄將其轉(zhuǎn)動(dòng)后，便可將低處的尼羅河水抽到高處的農(nóng)田里，后人將這個(gè)裝置稱為阿基米德螺旋水泵。

工程師們根據(jù)物理學(xué)家牛頓的反作用力原理，也就是“你往后蹬腳，才能往前跑”的原理，大膽猜想：如果把阿基米德螺旋水泵安裝到輪船底，水對(duì)水泵的反作用力會(huì)推動(dòng)輪船前進(jìn)。

現(xiàn)在看來，這個(gè)猜想是很有道理的。

但實(shí)際操作時(shí)，工程師們卻費(fèi)盡了周折。工程師們將長(zhǎng)長(zhǎng)的阿基米德螺旋水泵安裝到了輪船底，但效果并沒有想象的那么好，輪船似乎沒有增加太多動(dòng)力。

直到有一天發(fā)生了“意外”。長(zhǎng)長(zhǎng)的水泵撞擊到了海底的礁石，折斷了，只剩下很短的一段。正當(dāng)工程師感到絕望的時(shí)候，奇跡發(fā)生了——船速一下子快了起來，短小的水泵產(chǎn)生了更大的推動(dòng)力！

就這樣，變短的阿基米德螺旋水泵取代了輪船的明輪，化身為螺旋槳，成為船舶發(fā)展史上劃時(shí)代的動(dòng)力工具，但“輪船”這個(gè)名字卻一直沿用了下來。

海螺也有“螺旋槳”？

通過牛頓的反作用力原理我們知道，輪船前進(jìn)的動(dòng)力來自螺旋槳對(duì)水向后的推力。海螺要想獲得前進(jìn)的動(dòng)力，也要有螺旋槳的后推力才行?？珊Ｂ莸摹奥菪龢痹谀睦锬?？

上下前后左右找了一遍，也就海螺的大螺殼有點(diǎn)兒“螺旋”的意思，其他身體部位都不像螺旋槳。但是螺殼又不會(huì)自轉(zhuǎn)，怎么產(chǎn)生推力呢？

螺殼雖然不會(huì)自轉(zhuǎn)，但海水是流動(dòng)的。當(dāng)流動(dòng)的海水沿著旋轉(zhuǎn)的螺殼流過時(shí)，奇特的物理現(xiàn)象發(fā)生了：螺殼會(huì)自動(dòng)向前行走！特別是芋螺、竹筍螺、大法螺這種圓錐形的海螺殼。

這是因?yàn)楫?dāng)水流沿著螺殼的螺紋從“錐底”旋轉(zhuǎn)著流向“錐尖”時(shí)，速度減慢，“錐底”的水流靜壓力大于“錐尖”，形成前后的壓力差;水流的力量經(jīng)過圓錐形螺線的旋轉(zhuǎn)，轉(zhuǎn)變?yōu)楹Ｂ萸斑M(jìn)的動(dòng)力，讓海螺逆流而行，前進(jìn)起來十分省力，甚至是被推著走的。這和帆船越是在逆風(fēng)情況下，前進(jìn)得越快越穩(wěn)是一樣的道理。

所以海螺的“螺旋槳”就是它的螺殼以及上面旋轉(zhuǎn)的螺紋呀！

萬物皆有“旋”

其實(shí)，大自然中的“螺旋”幾乎無處不在，人類對(duì)它的認(rèn)知僅是冰山一角。2000多年前，阿基米德發(fā)明了螺旋水泵;300多年前，笛卡爾發(fā)現(xiàn)了等角螺旋;100多年前，工程師史密斯發(fā)明了螺旋槳……

而自然界中的螺旋幾乎無處不在：

你的手指上的“簸箕”和“斗”似乎在指尖旋轉(zhuǎn)，院子里爬藤植物的莖葉，正繞著枝干呈螺旋式生長(zhǎng)，抽水馬桶的水流旋轉(zhuǎn)著消失在下水道中，破壞力極強(qiáng)的臺(tái)風(fēng)從高空旋轉(zhuǎn)到地面，動(dòng)物的DNA呈現(xiàn)出雙螺旋結(jié)構(gòu)……

海螺里有更神奇的螺旋：草帽螺和旋梯螺，兩個(gè)毫不相干的海螺，竟然能夠像螺絲和螺母一樣旋擰到一起！

當(dāng)我們仰望星空，會(huì)發(fā)現(xiàn)幾乎所有星系都是呈螺旋形的。那么，哪一個(gè)星系是“螺絲”，哪一個(gè)星系又是“螺母”呢？

下一期我們將探索深海潛水器與海螺的“浮沉玄機(jī)”，掌握了這套“秘籍”后，潛入深海將不再遙不可及，也許有一天我們可以隨時(shí)“打車”去海底！