前文分析了为什么黑鸟可以比送它的风更快，这里说说它具体是怎样实现的，特别是其中部件的要求以及实际达到比风更快的秘诀，这些对理解它的工作原理也有帮助。 首先，黑鸟跟帆船根本不同的地方在于黑鸟的风车是个螺旋桨，并不是一个转动的风帆。这个螺旋桨将车轮转动产生的机械量的一部分转化成风能，而不是接受风能将其转化成机械能。所以黑鸟构造的基本要求是车轮和地面的摩擦力距要大于风车螺旋桨受风产生的力矩。 第二，车轮在地面运行时的摩擦力矩是车轮直径和摩擦力的乘积，所以车轮和地面接触点不能太光滑，车轮也不能太小。 第三，螺旋桨产生的转动力矩取决于转速，螺旋桨的长度，以及叶片的扭角。螺旋桨的转速取决于小车的速度和齿轮箱的变速比。螺旋桨的长度越大，扭矩越大，另一方面扭角相对于旋转平面的夹角越大，螺旋桨转动产生的扭矩也就越大。扭角为零时转矩为零，扭角90度扭矩为最大。将叶片的长度和扭角二者综合起来就是螺旋桨旋转一圈的推进距离（pitch），是用一个长度单位（比如英寸或者厘米）来衡量的。在小车的变速比选定的前提下， 螺旋桨的推进距离(pitch)/车轮的周长 = 黑鸟的风速车速比（VSR） 这个比值不能太大，也不能太小。比值太小车速太慢，比值太大车轮会在地面上打滑（见1）。在现实中黑鸟是通过改变叶片的扭角来改变其螺旋桨的推进距离的，开始行使时采用小扭角，随着风吹车速的增加不断加大扭角，这会增加螺旋桨产生的牵引力，使车速进一步增加，最后这个牵引力占了主导地位，车速就会超过风速。 从上面的分析也同时可以看到，随着扭角的加大，小车会变得不稳定：第一，螺旋桨产生的扭矩太大时会使小车轮子打滑，第二，螺旋桨产生的扭矩会使小车有侧翻的倾向。为了对付打滑，需要加大车轮对地面的摩擦力；为了对付侧翻，黑鸟左右两轮相对于重心是不等距的，一边长，一边短。这样以来，黑鸟本质上就是不稳定的。 综合上面的分析就可以看到黑鸟比风跑得更快的秘诀，一是可变扭角的螺旋桨，二是左右两轮相对重心不等距。前者意味着黑鸟在行驶中实际上有风力之外的能量输入，后者意味着黑鸟本质上不稳定，所以，黑鸟构不成所谓的第二类永动机。
视频一：网红 Xila Foxlin 解释车速增益比 另一方面，特有理和老冬儿都认为黑鸟之所以能比风快在于黑鸟存储了能量，特有理更是认为黑鸟超风速的现象类似于电路里的电感放电。那么黑鸟里到底有没有存储能量？它的风叶质量很轻，绝对够不成飞轮（flying wheel）这样的机械储能器件。但我觉得螺旋桨转动产生风力也应该算是一种能量存储，因为螺旋桨的转动降低了本应（比不转动）更高一些的加速度，让小车达到风速的时间更长了。这也是为什么黑鸟上的螺旋桨叶扭角需要可变动，在运行中改变桨叶扭角改可以变阻力（drag）和牵引力（lift）的大小比例，使得黑鸟在比较合理的时间内达到比较高的速度。这里螺旋桨的储能显然不是特有理认为的感性因子，相反地它类似于电容。 在达到风速之后，黑鸟在螺旋桨产生的牵引力（lift）驱动下会继续加速，直到其阻力（drag）增大到和牵引力相等，这时候黑鸟的速度大约是风速的三倍。这个最大速度是由黑鸟设计的风速车速比，即螺旋桨的推进距离/车轮的周长的比值，所决定的。 这个比值越大，最大车速就越大，但它达到最大速度所需要的时间也越长，同时车也越不稳定。所以这个增益比在现实中就是一个优化值。 视频二：黑鸟制作者Rick Cavallarro讲解黑鸟的历史和制作 相关博文： 1）网红趣味物理：黑鸟和珠链喷泉 2）黑鸟现象的特有理解释 |
