在我国古代,清明时节除了祭奠祖先,一些地区还有放风筝的习俗。人们牵着风筝时而奔跑,时而眺望,希望病痛和烦恼都能随着风筝飞走,幸福和好运留在身旁。
直到今天,放风筝依然是广受欢迎的娱乐活动。那么风筝是如何“飞”起来的?为什么断了线的风筝就不能继续“飞”了呢?“特技风筝”又是什么?我们一同来了解一下。
为什么断了线的风筝不会“飞”?在讨论这个问题之前,我们要先思考一个概念:什么是“飞”。
固定翼飞机是靠机翼上下表面的压强差产生升力;直升飞机靠顶部的螺旋桨提供升力;昆虫和鸟类则是靠翅膀的扇动产生升力。它们的飞行原理各不相同,但都可以认为是飞行。
那么,风筝是怎么“飞”起来的呢?我们来分析一下当我拽住线轴,风筝在空中静止时的受力情况。
图中代表风筝的AB面一共受到了三个力。首先有竖直向下的重力G。其次是风吹到风筝下表面时给风筝的推力F1,这个力恰好与风筝的表面垂直。最后还有沿着风筝线的拉力F2。
风筝静止时,这三个力恰好完全抵消,风筝总共受到的合外力为0,这样风筝就能老老实实地待在天上。
不过,天上的风可是“变化莫测”的,风速和风向会不断发生变化,这时我们只需利用线轴适当收放风筝线或是改变风筝线的角度,就可以相应地改变风筝线上拉力的大小和方向,使风筝受到的三个力再次平衡,让风筝稳稳地在天空中翱翔。
那么,如果我们剪断风筝线,会发生什么呢?
这时,沿着风筝线的拉力F2会消失,在重力和风的推力作用下,风筝开始向更远更高的方向加速,越飞越高、越飞越快。
可能有小伙伴会问,“越飞越高”“越飞越快”不正意味着风筝线被剪断后风筝依然可以飞翔吗?事情并没有那么简单,我们先要了解所谓“风的推力”到底从何而来。
当风筝被线紧紧拉住时,风筝与风之间具有较大的相对速度,风会一头撞在风筝表面,并在碰撞瞬间改变自身的方向与大小。
风受到来自风筝表面的作用改变风速的同时,风筝表面也同样受到来自风的作用力,这个作用力便是所谓“风的推力”。
聪明的小伙伴一定已经看出,风与风筝的相对速度是影响“风的推力”大小的关键,相对速度越大,推力就越大。当风筝线被剪断,风筝会随风飘走并不断地加速,使自身的速度逐渐与风速相同。
随着风筝的速度大小增加,它与风速之间的相对速度就会越来越小,来自风的推力也越来越小,直到重力渐渐占了上风,这个推力再也不足以将风筝托起,此时风筝就会突然下降,一头栽到地上。
除此以外,室外实际的风速是不断发生变化的,风筝受到的推力也时刻变化着,当风速改变时我们需要通过控制风筝线的松紧与角度来让风筝保持平衡。
一旦失去风筝线,风筝无法通过自身来调节姿态与受力,很容易在变幻莫测的风中失去平衡,坠落到地上。
说到这里,我们不难发现,风筝其实不是在真正地“飞”,而是在空中悬停。然而风筝确实启发了人们对飞行器的早期探索,在飞机发明的历史上做出了贡献。
200多年前,乔治·凯利就在风筝的启发下发明了第一个滑翔机模型。虽然受到了风筝的启发,但是这架“航模”飞行的原理与风筝悬空的原理是完全不同的。
最原始的滑翔机模型
两个线轴的风筝你见过吗?前面介绍了只能在空中静止的风筝。但你知道吗,还有一种风筝可以快速地动起来。还能完成转弯、俯冲等特技动作,像遥控飞机一样。这就是酷炫的特技风筝(stuntkite)。
特技风筝又叫运动风筝(sport kite),是伞翼飞机和传统风筝结合的产物。这种风筝造型非常简单,大多是三角形或滑翔翼形,以玻璃钢或碳钢棒为骨架,降落伞材质的布料做表面,造型鲜艳别致。
二战期间,美军就曾经使用特技风筝做训练标靶,后来特技风筝逐步在民间流行。
上世纪90年代,特技风筝传入我国,发展至今已经成为各种风筝赛事中的重要项目。现在我国每年都有许多城市举办风筝节,比如潍坊风筝节、南通风筝节,吸引着来自世界各地的风筝高手参加。
特技风筝灵活的主要原因是操控方式与传统风筝不同,通常由双线轴(或四线轴)控制。
两个线轴的风筝你见过吗?
以双线轴风筝为例,当两个线轴的拉力相同时,风筝会稳稳地悬停在空中,此时两个线轴的拉力、风的推力、重力,这四个力平衡。
当风筝两侧牵线的拉力不同时,风筝的姿势会向一侧倾斜,风的推力方向也会随之由F0变为F0’,这样便产生了侧向的分量。
在这个侧向分量的作用下风筝开始转弯、旋转。当两侧拉力再次相同时,风筝便会重新静止在空中。
风力4级左右的情况下,竞技风筝的飞行速度可以达到120~150km/h。在风筝高手的操作之下,竞技风筝可以做出盘旋、俯冲、翻滚等等花样繁多的高难度动作;还可以组队飞行,配合音乐翩翩起舞,为观众们上演一场空中“芭蕾”。
特技风筝表演
特技风筝运动兼具运动性和观赏性,能锻炼操作者眼、手、脑的协调,是一种老少咸宜的休闲户外活动。感兴趣的小伙伴不妨也去试一试。
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