為啥斷了線的風箏不會「飛」?兩個線軸的風箏你見過嗎?

2020-12-13 北京科學中心

在我國古代,清明時節除了祭奠祖先,一些地區還有放風箏的習俗。人們牽著風箏時而奔跑,時而眺望,希望病痛和煩惱都能隨著風箏飛走,幸福和好運留在身旁。

直到今天,放風箏依然是廣受歡迎的娛樂活動。那麼風箏是如何「飛」起來的?為什麼斷了線的風箏就不能繼續「飛」了呢?「特技風箏」又是什麼?我們一同來了解一下。

為什麼斷了線的風箏不會「飛」?

在討論這個問題之前,我們要先思考一個概念:什麼是「飛」。

固定翼飛機是靠機翼上下表面的壓強差產生升力;直升飛機靠頂部的螺旋槳提供升力;昆蟲和鳥類則是靠翅膀的扇動產生升力。它們的飛行原理各不相同,但都可以認為是飛行。

那麼,風箏是怎麼「飛」起來的呢?我們來分析一下當我拽住線軸,風箏在空中靜止時的受力情況。

圖中代表風箏的AB面一共受到了三個力。首先有豎直向下的重力G。其次是風吹到風箏下表面時給風箏的推力F1,這個力恰好與風箏的表面垂直。最後還有沿著風箏線的拉力F2

風箏靜止時,這三個力恰好完全抵消,風箏總共受到的合外力為0,這樣風箏就能老老實實地待在天上。

不過,天上的風可是「變化莫測」的,風速和風向會不斷發生變化,這時我們只需利用線軸適當收放風箏線或是改變風箏線的角度,就可以相應地改變風箏線上拉力的大小和方向,使風箏受到的三個力再次平衡,讓風箏穩穩地在天空中翱翔。

那麼,如果我們剪斷風箏線,會發生什麼呢?

這時,沿著風箏線的拉力F2會消失,在重力和風的推力作用下,風箏開始向更遠更高的方向加速,越飛越高、越飛越快。

可能有小夥伴會問,「越飛越高」「越飛越快」不正意味著風箏線被剪斷後風箏依然可以飛翔嗎?事情並沒有那麼簡單,我們先要了解所謂「風的推力」到底從何而來。

當風箏被線緊緊拉住時,風箏與風之間具有較大的相對速度,風會一頭撞在風箏表面,並在碰撞瞬間改變自身的方向與大小。

風受到來自風箏表面的作用改變風速的同時,風箏表面也同樣受到來自風的作用力,這個作用力便是所謂「風的推力」。

聰明的小夥伴一定已經看出,風與風箏的相對速度是影響「風的推力」大小的關鍵,相對速度越大,推力就越大。當風箏線被剪斷,風箏會隨風飄走並不斷地加速,使自身的速度逐漸與風速相同。

隨著風箏的速度大小增加,它與風速之間的相對速度就會越來越小,來自風的推力也越來越小,直到重力漸漸佔了上風,這個推力再也不足以將風箏託起,此時風箏就會突然下降,一頭栽到地上。

除此以外,室外實際的風速是不斷發生變化的,風箏受到的推力也時刻變化著,當風速改變時我們需要通過控制風箏線的鬆緊與角度來讓風箏保持平衡。

一旦失去風箏線,風箏無法通過自身來調節姿態與受力,很容易在變幻莫測的風中失去平衡,墜落到地上。

說到這裡,我們不難發現,風箏其實不是在真正地「飛」,而是在空中懸停。然而風箏確實啟發了人們對飛行器的早期探索,在飛機發明的歷史上做出了貢獻。

200多年前,喬治·凱利就在風箏的啟發下發明了第一個滑翔機模型。雖然受到了風箏的啟發,但是這架「航模」飛行的原理與風箏懸空的原理是完全不同的。

最原始的滑翔機模型

兩個線軸的風箏你見過嗎?

前面介紹了只能在空中靜止的風箏。但你知道嗎,還有一種風箏可以快速地動起來。還能完成轉彎、俯衝等特技動作,像遙控飛機一樣。這就是酷炫的特技風箏(stuntkite)。

特技風箏又叫運動風箏(sport kite),是傘翼飛機和傳統風箏結合的產物。這種風箏造型非常簡單,大多是三角形或滑翔翼形,以玻璃鋼或碳鋼棒為骨架,降落傘材質的布料做表面,造型鮮豔別致。

二戰期間,美軍就曾經使用特技風箏做訓練標靶,後來特技風箏逐步在民間流行。

上世紀90年代,特技風箏傳入我國,發展至今已經成為各種風箏賽事中的重要項目。現在我國每年都有許多城市舉辦風箏節,比如濰坊風箏節、南通風箏節,吸引著來自世界各地的風箏高手參加。

特技風箏靈活的主要原因是操控方式與傳統風箏不同,通常由雙線軸(或四線軸)控制。

兩個線軸的風箏你見過嗎?

以雙線軸風箏為例,當兩個線軸的拉力相同時,風箏會穩穩地懸停在空中,此時兩個線軸的拉力、風的推力、重力,這四個力平衡。

當風箏兩側牽線的拉力不同時,風箏的姿勢會向一側傾斜,風的推力方向也會隨之由F0變為F0』,這樣便產生了側向的分量。

在這個側向分量的作用下風箏開始轉彎、旋轉。當兩側拉力再次相同時,風箏便會重新靜止在空中。

風力4級左右的情況下,競技風箏的飛行速度可以達到120~150km/h。在風箏高手的操作之下,競技風箏可以做出盤旋、俯衝、翻滾等等花樣繁多的高難度動作;還可以組隊飛行,配合音樂翩翩起舞,為觀眾們上演一場空中「芭蕾」。

特技風箏表演

特技風箏運動兼具運動性和觀賞性,能鍛鍊操作者眼、手、腦的協調,是一種老少鹹宜的休閒戶外活動。感興趣的小夥伴不妨也去試一試。

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