风筝的力学原理
风筝的力学原理及制作
长治旅游董善耿（绍兴市第一中学 浙江 312000）
主题词：研究性学习—风筝—力学原理—制作
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    风筝是我国最古老的一种民间艺术，放风筝是一项集休闲、健身及学习科学知识于一体的高雅娱乐活動，深受人民众喜爱，许多学校把“风筝的力学原理和制作”选为高中学生研究性学习的课题是非常恰当的。目前，分析风筝的力学原理方面的文章不多，能看到的文章的说法大多与高中的物理教学有较大距离。为高中学生的研究性学习提供一篇实用的参考材料，是本文的目的。
    让我们从形状最基本的风筝说起。最简单的应是平板状的方形风筝了，这种风筝一般用两根长度不同的提线固定在风筝中轴上下适当的位置，使风筝在空中与风向成一定的迎角，下方装有一两根一定长度和宽度的尾条，如图1所示。我们来分析风筝是如何上升以及保持姿态稳定的。
                 
一、风筝的上升    图2是平板状的方形风筝在空中稳定时的受力示意图。风吹在风筝面上，产生一个垂直于风筝面的压力F，这个力可以分解为水平方向的分力F2和竖直方向的分力F1 。F2 的作用是使风筝远离，F1 的作用是使风筝上升，同理，风筝线的拉力T也可以分解为水平竖直两个分力T1、T2 。G为风筝的重力。当风速较大时，压力F较大，竖直方向满足F1 ＞ T2 + G 即 F1－T2－G＞0 风筝上升。此时应该将风筝线放出，使水平方向满足F2 ＞ T1 ，风筝远离。风筝上升到一定高度和距离，风筝线的重力大大增加，使得拉力T 大大增加，而且风筝线和竖直方向的角度减小，使得分力T2 大大增加，当达到F1－T2－G = 0时风筝就不再上升，而是稳定在空中。风筝刚放飞时，地面附近风速常常较小，往往需要人为助跑来加大风的压力F 以满足上升的条件，这里应用了相对运动的原理。
导游基础知识二、风筝姿态的稳定    图1 所示的风筝如果没有尾条，在空中的姿态是很不稳定的，风筝面会以拉线方向为转动轴顺时针或逆时针方向转动或摇摆，若提线位置系得不合适，使得风筝的重心落在转动轴的上方，风筝还会头朝下颠倒过来，迅速栽向地上。给平板状风筝加上适当重量、适当长度的尾条是使风筝状态达到稳定的有效方法。当风筝的身子转过一个角度时，尾条的方向由于所受重力和风力的方向不变而保持不变，从而产生使风筝回复原来位置的力矩，图3为顺着拉线方向正视风筝时的示意图，F1 、F2 为重力和风产生的拉力的合力在风筝平面内的两个分力；L1 、L2 为二力到转动轴O点的力臂，产生的回复力矩为  M = M1 + M2 = F1×L1 + F2×L2 ，可以看出，当风筝的身子偏转的角度在00 - 900 范围内时，力臂L1 、L2 随偏转角的增大而增大，从而保证了风筝姿态的稳定。
    保持风筝姿态稳定除了加尾条的方法外，还有利用类似于飞机垂直尾翼的原理，增加与风筝平面垂直方向的投影面积的方法，其做法一般都采取使风筝面翘起成弧形，如图4所示，S1 为风筝有效的迎风面积，S2 为等效的垂直尾翼面积。对飞机来说，当气流方向和机身长度方向一致时，垂直尾翼的迎风面积为零，不产生回复力矩；当机身由于不稳定因素而产生以通过质心的竖直轴线为轴的偏转时，垂直尾翼的迎风面积就不为零，气流将产生垂直于尾翼面的压力，形成回复力矩，使机身回到原来位置。同理，当风筝面以拉线方向为转动轴顺时针或逆时针方向转动或摇摆时，两侧空气将通过等效垂直尾翼面积产生对摇摆运动的阻力，同时迎面气流也将产生对垂直尾翼面积的压力，前者使摇摆减缓，后者产生回复力矩。有的风筝在放飞时受到风力后风筝面会弯曲成弧形，称为软翅风筝；也有一些风筝在制作时，用线将风筝面事先拉成弧形，都是利用上述原理使风筝姿态稳定。
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    三、风筝制作实例  下面介绍风筝制作的几个典型实例，供研究性学习选用。
  1. 十字风筝  这种风筝用横竖两根竹条做骨架，横竹条长约45cm，宽厚均为3mm，两头可稍薄；竖竹条长约62cm，宽厚均为3.5mm 。蒙面材料可采用皮纸、塑料薄膜、尼龙绸等，若用纸质材料，应用细线包边，防止撕裂。在尾部粘上用蒙面材料做成的寬4cm，长约2.4m 的长尾条，再将横竹条背面用细线拉紧，使风筝面变成弧形，以增加飞行的稳定性。这种风筝姿态的稳定主要靠长长的尾条。提线用两根，大致位置见图5 。
  2.王字风筝  这种风筝以用四根竹条扎成王字形而得名，基本结构如图6所示: 三根橫向竹
条长55cm（下方的一根也可略短） ，竖向竹条长50cm， 4根竹条宽厚均为3.5mm左右，蒙面及兩根尾巴的材料同十字风筝。风筝的飞行稳定依靠两根長長的尾巴，可以将尾条尾端粘在一起，使在空中象只书包。提线用两根，位置如图示。
  3. 三角风筝    这种风筝设计巧妙，飞行姿态象伞翼机，主要是靠风筝面向上拱起成弧形达到姿态稳定的（见图9）。该种风筝用宽厚各3.5mm的三根竹条做骨架，另用一根粗细相仿的弹性竹条做背面的撑杆，一般用尼龙绸做蒙面。其设计巧妙之处，一是用布面代替提线，增大了等效垂直尾翼面积，增加了稳定性（图7）；二是背面的弹性竹条可以随风力大小改变弯曲程度，从而改变风筝向上拱起的程度，风力大时，需要较高的稳定性，弹性竹条就弯得厉害，风筝向上拱起的程度增大（图8）。这种风筝的缺点是风力太大时背面撑杆会弯过头，使迎风面积大幅度减小，升力骤减，风筝会调头向下坠落，解决的办法是将背面撑杆改成稍短的无弹性硬杆，两端固定牢。风筝的尺寸为：等腰三角形的两根腰杆长85cm ，中线杆长60cm ，背面撑杆长度可试验决定，等腰三角形的底边靠尼龙绸自身的强度，也可加上几根短尾条作装饰。
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对于高中学生的研究性学习课题，可以将研究重点放在三角风筝的优化和改进上。               

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