包“螺”万象之螺旋的奥秘

徐小龙

无论是万米级载人潜水器还是潜艇、游轮、军舰，只要是在水里航行的大型机械装备，它们都有一个原理相同的动力装备——螺旋桨推进器。那“螺旋桨”和海螺有什么神秘联系呢？单从文字看，螺旋桨里有一个“螺”字，奥秘是否就藏在这个字里面呢？它们和宇宙之间又有什么关系呢？

无论是万米级的载人潜水器“奋斗者”号，还是我国第一艘载人潜水器“蛟龙”号，它们能够在深海里自由遨游，依赖的就是身上的多个螺旋桨推进器。

以“蛟龙”号为例，它一共装有7个螺旋桨推进器。这些螺旋桨推进器就像鱼鳍一样，帮助潜水器灵活地前进、后退、上浮、下沉、左右侧倾和转向——潜水器顶部的推进器，就像鱼的背鳍，帮助潜水器转向;左右两侧各一个，就像鱼的胸鳍或腹鳍，帮助潜水器上浮、下沉或侧倾;尾部有四个，就像鱼的尾鳍，帮助潜水器前进和后退。

相较于“蛟龙”号来讲，“奋斗者”号螺旋桨推进器的位置则更为隐蔽——几乎是镶嵌在潜水器外壳浮力材料的凹槽通道里。这样的设计一是让潜水器的外观更加美观，凸显流线型;二是起到了很好的保护作用，避免外力磕碰造成螺旋桨损坏。

轮船的轮子去哪儿了？

潜艇和轮船不像潜水器那样需要完成很多精细动作，所以它们大多只在尾部装有一个或两个巨大的螺旋桨推进器。

同学们可能要问了：轮船为什么不是依靠轮子前进，而是依靠螺旋桨呢？其实呀，一百多年前的轮船确实是有轮子的，螺旋桨的发明，源于一次“意外”。

当时的轮船上装着巨大的轮子，就像我国古代农田中用于灌溉的水车，起到划水的作用，称为明轮。有的明轮安装在左右船舷旁，叫船侧明轮;有的安装在船尾，叫船尾明轮。它们在蒸汽机的带动下转动，推动轮船前进或者后退。

但是这种明轮船有很大的局限性，稍微遭遇一点儿风浪，船身就会严重地左右摇晃，轮子也很容易被损坏，战舰上的明轮更是敌人重点攻击的目标。

聪明的工程师们想起了阿基米德，就是那位“给我一个支点，我能撬起地球”的古希腊数学家、物理学家。阿基米德为了帮助尼罗河边的农民从地势低洼的河里引水去灌溉地势较高的农田，发明了一种螺旋水泵，摇动手柄将其转动后，便可将低处的尼罗河水抽到高处的农田里，后人将这个装置称为阿基米德螺旋水泵。

工程师们根据物理学家牛顿的反作用力原理，也就是“你往后蹬脚，才能往前跑”的原理，大胆猜想：如果把阿基米德螺旋水泵安装到轮船底，水对水泵的反作用力会推动轮船前进。

现在看来，这个猜想是很有道理的。

但实际操作时，工程师们却费尽了周折。工程师们将长长的阿基米德螺旋水泵安装到了轮船底，但效果并没有想象的那么好，轮船似乎没有增加太多动力。

直到有一天发生了“意外”。长长的水泵撞击到了海底的礁石，折断了，只剩下很短的一段。正当工程师感到绝望的时候，奇迹发生了——船速一下子快了起来，短小的水泵产生了更大的推动力！

就这样，变短的阿基米德螺旋水泵取代了轮船的明轮，化身为螺旋桨，成为船舶发展史上划时代的动力工具，但“轮船”这个名字却一直沿用了下来。

海螺也有“螺旋桨”？

通过牛顿的反作用力原理我们知道，轮船前进的动力来自螺旋桨对水向后的推力。海螺要想获得前进的动力，也要有螺旋桨的后推力才行。可海螺的“螺旋桨”在哪里呢？

上下前后左右找了一遍，也就海螺的大螺壳有点儿“螺旋”的意思，其他身体部位都不像螺旋桨。但是螺壳又不会自转，怎么产生推力呢？

螺壳虽然不会自转，但海水是流动的。当流动的海水沿着旋转的螺壳流过时，奇特的物理现象发生了：螺壳会自动向前行走！特别是芋螺、竹笋螺、大法螺这种圆锥形的海螺壳。

这是因为当水流沿着螺壳的螺纹从“锥底”旋转着流向“锥尖”时，速度减慢，“锥底”的水流静压力大于“锥尖”，形成前后的压力差;水流的力量经过圆锥形螺线的旋转，转变为海螺前进的动力，让海螺逆流而行，前进起来十分省力，甚至是被推着走的。这和帆船越是在逆风情况下，前进得越快越稳是一样的道理。

所以海螺的“螺旋桨”就是它的螺壳以及上面旋转的螺纹呀！

万物皆有“旋”

其实，大自然中的“螺旋”几乎无处不在，人类对它的认知仅是冰山一角。2000多年前，阿基米德发明了螺旋水泵;300多年前，笛卡尔发现了等角螺旋;100多年前，工程师史密斯发明了螺旋桨……

而自然界中的螺旋几乎无处不在：

你的手指上的“簸箕”和“斗”似乎在指尖旋轉，院子里爬藤植物的茎叶，正绕着枝干呈螺旋式生长，抽水马桶的水流旋转着消失在下水道中，破坏力极强的台风从高空旋转到地面，动物的DNA呈现出双螺旋结构……

海螺里有更神奇的螺旋：草帽螺和旋梯螺，两个毫不相干的海螺，竟然能够像螺丝和螺母一样旋拧到一起！

当我们仰望星空，会发现几乎所有星系都是呈螺旋形的。那么，哪一个星系是“螺丝”，哪一个星系又是“螺母”呢？

下一期我们将探索深海潜水器与海螺的“浮沉玄机”，掌握了这套“秘籍”后，潜入深海将不再遥不可及，也许有一天我们可以随时“打车”去海底！