竹蜻蜓看着像一件该用力往天上扔的东西,其实不是。一根短竹柄,顶端横着一片薄竹叶,玩法是把柄竖在两掌之间来回一搓,让它飞快转起来,然后松手。搓给的是旋转,不是往上那一推;让它升起来的,正是这阵旋转。

全部机关都在那片竹叶上。削的时候,一头的前缘往上翘,另一头的前缘朝相反方向翘——因为柄一转,两半叶片扫过的方向正好相反,只有把斜面也做成相反,两半才都把空气往下推。两边的力于是相加,而不是互相抵消。要是把叶片刨成平的,它转得很漂亮,却一寸也飞不起来。

这一点最容易看漏,也正是「会飞的玩具」和「一把小风扇」的分界。两头若削成同一面斜,转过来时两半推空气的方向相反:升力互相抵掉,剩下的合成一个扭矩,把整个东西拧得歪向一边。竹蜻蜓一抖、一歪,就掉了。做的人习惯先把竹叶举到眼前顺着看一遍再打孔装柄,因为孔一钻好,能改的余地就很小了。

两掌到底攒下了什么

搓柄是一种不用马达、快速把角速度交出去的办法。两掌的摩擦力构成一对力:作用在竹柄两侧,方向相反,却都把它往同一个转向推。慢慢搓很久没什么用,短促地快搓一下才有用。松手那一刻决定高度的只有转速,而升力大致随转速的平方涨,所以转速翻倍换来的爬升远不止两倍。有些柄在握处刻几道浅槽,或缠一圈线,不是为了好看,是防那一记快搓时掌心打滑。

竹叶正中的孔要紧,还要正。孔松,叶片会微微歪头,玩具一边抖一边把刚攒起来的转速晃掉;孔偏心,两半扫出的圆就不一般大,这份不配平会表现为一个始终朝某边倒的倾角。两种毛病浪费的是同一样东西——两掌刚费劲攒出的角速度。重心得落在轴上,轴得在叶片正下方,所以整件东西看着极对称,唯独叶片本身是拧着的。

松手也是个时机。放得太早,柄还在掌间加速;放得太晚,两掌已经开始替它刹车。干净的起飞,是手在转速顶点那一瞬离开,此刻并没有谁往上推它。竖直的运动要再等一小会儿:叶片得先把一段空气推下去,反作用才建立起来。

它为什么还会掉下来

直升机能一直悬着,是因为发动机不停、桨距还能改。竹蜻蜓两样都没有,斜角是削在竹子里、定了就改不了的。空气阻力不断吃掉转速,往下的推力跟着变弱;升力随转速的平方走,掉得比转速本身还快。到某个高度,推力刚好等于重量;再过一瞬就小于重量,于是它一边还在转,一边开始往下落。做得好的能窜上几米,在最高处像停了一下——那不是停,是两条曲线相交的那一点。

叶片薄、竹柄轻,也是这个道理。每一克多余重量,都得靠一个正在衰减的力托着。叶片重一点,转动惯量大,转速能守得久些,可起飞时需要的升力也更大,两下正好互相拉扯。做的人最后落在几毫米厚的叶片、十几厘米长的柄上,这个折中是试出来的,不是算出来的。

拿它跟陀螺并排看,分界很清楚:陀螺用转动守住自己的轴,竹蜻蜓用转动去推动空气,再把这份推动换成位移。空竹夹在两者之间——转动留着稳姿态,能量由绳子不断补进去。三样东西攒的都是同一份转动,花法各不相同。

风筝是第三个对照。风筝借的是本来就在吹的风,还得有一根线把自己顶在气流里;竹蜻蜓自己造气流,谁也不必拉住它。一个是帆,一个是桨。所以风筝能在天上待一下午,竹蜻蜓只有起飞那一搓给的几秒——这也正是它的起飞必须是「搓」而不是「扔」的原因。

这件玩具不需要说明书。两头相反的斜面、一个居中的孔、一根轻柄、一记快搓,剩下的物理自己会办。这也是孩子的游戏为什么变得这么慢:一个形状把一种运动换成另一种运动,换到这么干净,后来的人几乎没什么可改,那点拧出来的斜角也就一直留着。