放风筝的技巧

科学汇|怎么才能让风筝飞得又高又稳你的巧“力”用对了吗

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,纸鸢放风筝的技巧飞,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《南鹞北鸢考公志》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,放风筝的技巧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、毁物的案例屡见报放风筝的技巧端。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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