风筝的原理.doc

理论力学研究性实验报告同济大学 1 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。理论力学研究性实验报告同济大学 2 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