风筝的原理.doc

理论力学研究性实验报告 同济大学
风筝的原理
钱越康
学号：033648 专业：土木工程 班级：土木3班 任课教师：徐鉴
摘要：风筝飞升的三大平衡原理
关键词：风流，“坠重”平衡，“横杆”平衡，“定向出风”平衡原理
风筝,从古至今一直被人们喜爱和欣赏,特别是在经济高速发展的当今世界,它又以和平的使者,友谊的桥梁及发展经济的纽带出现在全世界人民的面前,而我的家乡南通就是中国四大风筝产地之一，所以我对风筝有着特殊的感情。 下面,首先让我对地面风的特征及风筝的升力作一简单分析,然后来探讨风筝飞升的平衡原理。
一风筝的升力
地面上的风，无论是大风或小风，从宏观看，其流动均是基本平行地面的，然而，从微观看，其流动却始终处于上下翻滚，左右迂回的状态中，也就是说，地面上的风从微观看，始终是忽上忽下，忽左忽右的，而不是绝对平稳的。如图1所示。那么,基本平行于地面流动的风是如何给风筝以一个升力呢?我们从图2,即风筝受力示意图中可以看出,由于风筝迎风面与风流方向构成了一定的迎风角度(迎风角度由风筝脚线的位置和长短来确定)，根据力的分解原理可知，当风筝受力后，产生一个垂直于风筝平面的合力，这个合力可分解为两个方向的分力，一个是与风流方向一致的水平分力，这个不能使风筝飞升；另一个力是垂直向上的分力，这个力即为风筝飞升的升力，由此可知，风筝的升力越大，风筝线与地面的夹角就越大，当然，升力是个综合因素，这里只讨论风筝飞升的平衡原理，至于影响风筝升力大小的因素就不作详细讨论了。

二、 风筝飞升的三大平衡原理
地面上的风以及由风筝的迎风角度产生的风筝的升力只是为风筝的飞升创造了必要条件，而要使用风筝飞升，还必须具备风筝飞升的充分条件。这个充分条件，就是我们这里要讨论的风筝飞升的三大平衡原理。
放飞风筝，无疑是人类对空气动力学的运用之一，风筝在放飞过程中，始终在其外力，即风力的作用下作动态平衡运动，而要使风筝在风力的作用下达到飞升的平衡，无论是传统风筝，还是创新风筝，是国内风筝，还是国外风筝，均离不开飞升的三大平衡原理，即:
下面，我们就这三大平衡原理逐一加以讨论。
1、风筝飞升的“坠重”（坠飘）平衡原理
采用“坠重”平衡的风筝，一般为平板式的，讨论“坠重”平衡这一原理，根据力学中物体受力的平衡原理，由图3可知，力F1、F2是忽左忽右的风流形成的，故F1≠F2，从而给风筝形成了旋转的力矩；力F3是人为加上的“坠重”力，且此力通过风筝中心，从而给风筝形成了较大的重力矩，该力矩是反抗风筝旋转力矩的，只要重力矩≥旋转力矩，风筝就可达到飞升的平衡，F3的大小起决于风筝尾巴的长短、宽窄及材料，且应随着风的大小而适当改变其中某一因素。
2、风筝飞升的“横杆”平衡原理
采用“横杆”平衡原理的风筝，一般为平板串式风筝，当然，单个平板串子亦可放飞，其原理与串式的相同。下面，我们以单个串子为例，讨论“横杆”平衡这一原理，根据力学中物体力的平衡原理，由图4可知，力F1、F2是忽左忽右的风流形成的，故F1≠F2，从而给风筝形成了旋转的力矩；力F3、F4可用人为的方法调整至两力相等，是“横杆”自重及风流合成的力。此两力大小相等、方向相同，且与中心对称，形成了风筝的对称力矩，此力矩是反抗风筝的F1、F2引成的旋转力矩的，只要对称力矩≥旋转力矩，风筝就可达到飞升的平衡，相对来说，风筝两侧的臂（即“横杆”）越大，两端羽毛越多，其对称力矩就越大，因而风筝的稳定性就越好，但是两侧的臂亦不能过长，因为过长会增加风筝重量，从而使风筝飞不高，一般来说，风筝腰的单侧臂长为腰子直径的1.5倍左右，而臂的长短粗细及臂端的羽毛数量亦应视其腰子直径的不同而不同，腰子直径大者，臂粗长，羽毛多；反之，臂细短、羽毛少。

3、风筝飞升的“定向出风”平衡原理
3.1硬翅风筝的“定向出风”平衡原理
大家知道，硬翅风筝它们都有一个共同的特点，就是风筝两侧硬翅不但大小相等，而且有一个深浅一致的对称凹槽曲面,由图5可知,F1、F2是忽左忽右的风流形成的，故F1≠F2，从而形成了使风筝旋转的力矩，而F3、F4是使风筝硬翅的对称凹槽曲面形成的“定向出风”力矩的力。且可用人为的方法调整至两力相等因为F3、F4大小相等，方向向两翅斜后方，形成风筝的对称力矩，只要对称力矩≥旋转力矩，风筝即可达到飞升的平衡，不难看出，只要两翅对称，其凹槽曲面越深，风筝“定向出风”的力（F3、F4）越大，风筝也就飞得越平衡，但是硬翅的凹槽曲面也不能做得过深，因为太深了，凹槽曲面的后倾角太大，这样会减小风流阻力，因而风筝也就飞不高了。一般来说，上下翅条弯头所形成的凹槽曲面最深处的夹角为95度左右，此外，风筝的平面部分，如下身框架，既要考虑左右对称，且竹条要小些，这样使风筝能得到良好的排风效果
3.2软翅风筝飞升的“定向出风”平衡原理
软翅风筝的品种最多，其飞升的平衡原理均为“定向出风”。由图6可知，所有软翅风筝的翅膀下缘均为软边，当风筝受风力后，软边即发生变形，（向后鼓起）图6中的虚线以下部分为主要变形区域。上此，必然形成风流定向由软翅的虚线区域下部流出风筝，即“定向出风”。图6中，F1、F2是忽左忽右的风力形成的，故F1≠F2，从而形成风筝旋转的力矩，F3、F4可用人为的方法调整至两力相等。此两力形成大，小相等，方向相同的对称力矩，只要对称力矩≥旋转力矩，风筝即能达到平衡飞升，软翅风筝翅条的软硬程度，软区的大小，目前尚凭经验，很难用数据表示。　　

3.3圆弧瓦片式风筝飞升的“定向出风”平衡原理
圆弧瓦片式风筝，其外形多为长方形、T字形、六角形等。如图9，为长方形圆弧瓦片式风筝，此类风筝将多根水平竹条用线拉成相同的弓形圆弧，中间用一根或数根对称交叉的竹条将水平竹条固定成一体，由于此类风筝左右两侧无竹条，为软边，故风筝受力后，便形成左右对称的凹面圆弧，风流便定向地从各凹面圆弧排出，即“定向出风”。各水平竹条用线拉成的圆弧可用人为的方法使其左右曲率半径相等，达到力F1=F2；F3=F4；F5=F6。此三对力各自基本在同一直线上，大小相等，方向向两侧斜后方，形成对称力矩，只要对称力矩≥旋转力矩，风筝即可达到平稳飞升。

3.4.平面组合风筝飞升的“定向出风”平衡原理
只要将多片平面巧妙组合，做到“定向出风”，即能使风筝平稳飞升，平面组合风筝的形式主要有以下几种，其一，将多片面组合成对称交叉的角度；其二，将多片平面组合成对称风槽或具有对称的后倾角；其三，将多片平面组合成风筒；其四，将前三种形式同时应用，即将多片平面组合成既左右对称的，而内外上下又重迭交错的复杂外形。
小结
1．由于地面上的风不是平稳流动的，所以，对于平板式风筝来讲，即使做得完全对称，也不能不坠重而平稳飞升，因其不具备“定向出风”的条件，所以只能借助“堕重”或“横杆”来获得平衡而飞升，这就是平板式风筝“堕重”平衡原理和“横杆”平衡原理。
2． 如果风筝既不借助“堕重”或“横杆”，又要使其平稳飞升，那么，就必须做到对称“定向出风”，且“定向出风”所形成的对称力矩必须大于风流的忽左忽右所形成的旋转力矩，这就是风筝飞升的极其重要的“定向出风”平衡原理。
3．风筝“定向出风”的效果越好，风筝飞得越平稳，但风流阻力和迎风面却相应减小，因此，风筝的飞升角度亦会减小，所以，“定向出风”的效果和风流阻力及迎风面的大小必须相互兼
4．风筝的飞升角度与风筝“定向出风”的方向关系很大，即风筝“定向出风”的方向越接近垂直向下，则风筝飞升的角度越大，原理是：根据力学中作用力与反作用力的原理，如果风筝能做到向下“定向出风”，必然给风筝一个向上的反作用力，因而加大了风筝的飞升角度。
上面就是我对风筝运力的简单的阐述,错误之处还请老师指正！
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