科学汇 | 怎么才能让风筝飞得又高又稳?你的巧“力”用对了吗?

新教育

钱江晚报·小时新闻 记者 陈素萍 

“只凭风力健,不假羽毛丰。红线凌空去,青云有路通。” 同学们猜一猜,这是在描述什么事物?

答案是:风筝。

这段时间,只要天气晴朗,杭城百姓最喜爱的户外活动,或许就是“西湖里面划船儿,广场上面放鹞儿”。寒气渐消,春风拂面,杨柳绿,纸鸢飞,又到了放风筝的好时节。

平日里,相信同学们都看过、放过甚至制作过风筝。对于这个早已司空见惯的事物,我们还可以再多一点好奇心:制作风筝有哪些讲究?风筝为什么能飞上天?放风筝有哪些技巧和注意事项吗?

这次,我们专门邀请到了夏衍初级中学科技辅导员彭乾水老师,他将结合自己在教学中的模型制作、科技创新项目研究经验,为大家讲一讲风筝中的科学知识。


小小风筝藏乾坤

是人类最早的飞行器

燕子、蝴蝶、蝙蝠,福字、扇子、宫灯、哪吒闹海……现如今,风筝的图案各式各样,形态更是栩栩如生。

但是,小小的风筝,想要成功制作出来,可并不容易。

说起风筝的制作工艺,不得不提起曹雪芹。说到他,同学们必然想起《红楼梦》,在这本名著中,读者们可以看到,曹雪芹对金石、书画、风筝、编织、医学、建筑、烹调、工艺、印染、雕饰等各门学问几乎无不精通。而在曹雪芹所著的《南鹞北鸢考工志》中,就记载了传统的风筝制作工艺,讲究”四艺”——扎、糊、绘、放。

流程看似简单,实际制作起来却非常考验手艺。比如,扎一副对称、符合力学的风筝骨架,左右吃风面积和重量相当是最基本的要求。比如,图案样式要做到远眺清楚,近看真实的效果;再比如,安装提线时,要找到风筝的中心点,让两边能平衡,一般先找个初始调节点,拉起来之后如果感觉飞得不好,再进行微调。同时,风筝一般都有长长的尾巴,这尾巴也起到了平衡的作用,使风筝不会在空中乱转。

当然,风筝做得好不好,试飞一下才知道。想要把风筝放得好,里面的学问也不小:放风筝如同赛马,一线相连,风筝线就如缰绳,紧拉绳子,就像驯马一般,人随漂移而前后奔走。这个过程中,是要研究大气流向的,还要依据风力调整提线角度,考虑风筝的受风面积、重力点等问题,比如今天吹偏北风,那边有几幢楼可能有多少影响,哪个位置需要一把拉上,心里都要有数。

当我们穿越漫长历史,还会发现,在一些“超级玩家”手中,风筝被赋予了更伟大的使命。他们利用风筝升空的原理,进行了很多科学实验,对人类的发展起了巨大的推动作用。

最有名的是威尔伯.莱特和奥维尔.莱特,莱特兄弟受到风筝的启发,先后制成三架风筝式滑翔机,进行了上千次的放飞试验,不断探索和改进,最终研制出第一架使用内燃机的飞机。

挣脱重力,从大地飞上天空、宇宙,一直都是人类的梦想。中国发明的风筝,诞生于两千多年前,就是人类最早的飞行器,也是世界上第一种重于空气的飞行器。所以,下次再去放风筝时,同学们可别忘了,你们手上的风筝可不仅仅是民间工艺品和玩具,它曾对科学技术的发展也起到特殊的作用。

纸鸢为何能够飞上天

受力分析破解“小技巧”

同学们都知道,地球上有质量的物体都受到重力作用,宏观表现为生活中各种物体在无支持力作用下都会自由落体运动。风筝也不例外。

那么,比空气重的风筝,为什么能飞上天呢? 

结合生活中的经验,风筝想飞上天,要有两个必要条件:一是要在有风的天气下;二是风筝得有提线的牵引,“断线的风筝”必定很快会掉下来。

那么,风筝起飞一定需要风吗?回答这个问题之前,我们先设想两个情景:

第一个情景,风筝在月球上能不能起飞?我们知道,风筝起飞要受到一个竖直向上的力,这个向上的力不会是由向下绳子的拉力产生,而是空气作用产生的力,月球上没有空气,所以月球上风筝起飞无法起飞。

第二个情景,风筝在无风情况下能不能起飞?先思考一下,上面提到的空气的力是什么,中学科学课本中提到,空气在不同的流速下会有不同的压强,当压强高的区域向气压低的区域移动时候,就形成了风。在无风情况下,空气中各个区域的流速是一致的,也就是空气密度分布均匀,此时风筝在飞行过程中无论哪个朝向,空气流速相对风筝各部分也都是相等的,不能形成压强差,也就无法给风筝一个力。所以,风筝起飞需要风。

通过以上两个场景的分析,我们了解到,放风筝需要借助风的力量。

同时,同学们还应该知道,大多数情况下,我们在地面上遇到的不是强对流风,而是地面风,地面风流动方向基本平行于地面。当风筝横断地面风时,风筝迎风的一面阻塞空气分子,改变了空气分子动量,产生一个垂直风筝面的力,若此时风筝倾斜,这个力分解为两个方向的分力,一个是与地面风流方向一致的水平分力,另一个力是竖直向上的分力,这个力即为风筝飞升的升力,也就是我们所说的扬力。

从大气压强角度来解释,风筝在空中受风作用,风筝下层的空气受风筝面的阻塞,空气的流速减缓,大气压强升高;风筝上层的空气流速相对较高,大气压强较低,使风筝上下面形成压强差,在扬力即是由这种压强差而产生的。

根据力的分解可知,风筝在飞行过程中自身的重力大小不变,方向竖直向下;扬力随风力大小而改变,方向垂直于风筝表面斜向上;而牵引绳的拉力随人手施加的拉力而改变。当扬力的竖直分力大于风筝自重和牵引绳拉力的竖直分力时,风筝会越飞越高;当扬力的水平分力大于风筝自重和牵引绳拉力的水平分力时,风筝会在水平方向远离我们所处的位置;而当风力、牵引力和扬力这三个力达到受力平衡时,风筝就会稳定地漂浮在空中。

了解了风筝的受力情况,我们就可以有针对性地放风筝了!

在起飞阶段,风筝需要受到足够大风力的推动,才能从我们手中起飞,而在当风力不足以托起风筝时,我们还会通过助跑来增加风筝受到的扬力。

此外,合适的角度可以让风筝很快受到足够强并且倾斜向上的扬力,如果要想风筝的扬力越大,风筝牵引的线与地面的夹角就要越大,这样就会飞得更高!



兴趣小组
高压线附近为何不能放风筝?

天气晴好时,放风筝是不错的休闲活动,但在快乐玩耍的同时,安全意识别忘记。

大型风筝线的材质多为凯夫拉线或特多伦线,其特点是不容易断。这一根根纤细的风筝线,虽然看上去毫不起眼,却可能成为伤人“利器”,可以是隐形的利刃。

近年来,因风筝放飞后失控,风筝线伤人、毁物的案例屡见报端。2019年10月,坐落在西湖边的宝石山上的保俶塔,其塔尖就曾因风筝线缠绕拉扯导致倾斜。据介绍,保俶塔塔尖内有混凝土柱子,外部是一层明代的青铜外壳,因塔顶风速大,风筝线拉扯的力度之大远超想象。

从物理学的角度来说,风筝线的“杀伤力”与材质、风力大小、风筝的面积和高度,及风筝线瞬间作用于皮肤的力和时间长短等因素有关。风筝线越细,被切割物体运动速度越快,风筝线与物体接触时间越少,产生的作用力就越大,换句话来说就是对与之接触的人体伤害越大。

以一名体重为50公斤的人为例,当其以每秒5米的速度,与直径0.5毫米的风筝线相撞,接触时间大概为1秒,接触长度为10厘米,根据物理学中的动量定理以及压强公式推算,其与风筝线相撞时的压强达到2兆帕斯卡,这约相当于100斤的物体压在一个指甲盖上的压强,伤害非常大。

建议大家在放风筝前做好充分防护准备,不要盲目选用面积较大的风筝,以防在强风下难以控制。同时,放风筝要选择空旷的场地,避开建筑物和树木,设置高压线的地方和公路、铁路两侧绝对不能放风筝。另外,在放风筝的时候,如果风筝挂在了树上无法取下,请不要一走了之,最好剪断风筝线,避免悬浮的风筝线绷紧后伤及路人。

值得一提的是,根据我国《电力法》等相关法律法规,高压线附近300米内,都属于禁放飞风筝的区域。因为对于高压电线来说,空中的风筝线算是导体或半导体,风筝线两头一旦各搭着高压电线,就很容易引发线路短路,导致跳闸停电。短路的电线燃烧后还可能掉落,导致人畜触电伤亡,或是造成火灾。



考考你

请从力学的角度分析一下,风筝断(脱)了线后会是怎么样的状态,为什么?

答案:风筝断(脱)了线将会掉落到地面。风筝在空中飞行,受到绳子的拉力和空气中的扬力作用,使风筝在迎风面保持近45度左右的仰角,当风筝断(脱)了线,空气中的扬力使风筝迎风面近乎垂直地面,并在重力的影响下,风筝最终掉落地面。


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151****6793
151****6793

Mark

星辰
星辰

学习到知识了

陈扣扣
陈扣扣

富兰克林在雷雨天放风筝“抓电”是真的咩

钱塘春韵
钱塘春韵

春光明媚去户外放飞风筝🪁

150****8670
150****8670

巧放风筝

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