中学综合实践活动课程——风筝的原理其制作简析.doc

风筝的原理 摘要：风筝飞升的三大平衡原理风流“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,下面,首先让我对地面风的特征及风筝的升力作一简单,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，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