錢江晚報(bào)·小時(shí)新聞?dòng)浾哧愃仄?/p>
“只憑風(fēng)力健，不假羽毛豐。紅線凌空去，青云有路通。”同學(xué)們猜一猜，這是在描述什么事物？
答案是：風(fēng)箏。
這段時(shí)間，只要天氣晴朗，杭城百姓最喜愛(ài)的戶外活動(dòng)，或許就是“西湖里面劃船兒，廣場(chǎng)上面放鷂兒”。寒氣漸消，春風(fēng)拂面，楊柳綠，紙鳶飛，又到了放風(fēng)箏的好時(shí)節(jié)。
平日里，相信同學(xué)們都看過(guò)、放過(guò)甚至***過(guò)風(fēng)箏。對(duì)于這個(gè)早已司空見(jiàn)慣的事物，我們還可以再多一點(diǎn)好奇心：***風(fēng)箏有哪些講究？風(fēng)箏為什么能飛上天？放風(fēng)箏有哪些技巧和注意事項(xiàng)嗎？
這次，我們專門邀請(qǐng)到了夏衍初級(jí)中學(xué)科技輔導(dǎo)員彭乾水老師，他將結(jié)合自己在教學(xué)中的模型***、科技創(chuàng)新項(xiàng)目研究經(jīng)驗(yàn)，為大家講一講風(fēng)箏中的科學(xué)知識(shí)。
小小風(fēng)箏藏乾坤
是人類最早的飛行器
燕子、蝴蝶、蝙蝠，福字、扇子、宮燈、哪吒鬧海……現(xiàn)如今，風(fēng)箏的圖案各式各樣，形態(tài)更是栩栩如生。
但是，小小的風(fēng)箏，想要成功***出來(lái)，可并不容易。
說(shuō)起風(fēng)箏的***工藝，不得不提起曹雪芹。說(shuō)到他，同學(xué)們必然想起《紅樓夢(mèng)》，在這本名著中，讀者們可以看到，曹雪芹對(duì)金石、書畫、風(fēng)箏、編織、醫(yī)學(xué)、建筑、烹調(diào)、工藝、印染、雕飾等各門學(xué)問(wèn)幾乎無(wú)不精通。而在曹雪芹所著的《南鷂北鳶考公志》中，就記載了傳統(tǒng)的風(fēng)箏***工藝，講究”四藝”——扎、糊、繪、放。
流程看似簡(jiǎn)單，實(shí)際***起來(lái)卻非常考驗(yàn)手藝。比如，扎一副對(duì)稱、符合力學(xué)的風(fēng)箏骨架，左右吃風(fēng)面積和重量相當(dāng)是最基本的要求。比如，圖案樣式要做到遠(yuǎn)眺清楚，近看真實(shí)的效果；再比如，安裝提線時(shí)，要找到風(fēng)箏的中心點(diǎn)，讓兩邊能平衡，一般先找個(gè)初始調(diào)節(jié)點(diǎn)，拉起來(lái)之后如果感覺(jué)飛得不好，再進(jìn)行微調(diào)。同時(shí)，風(fēng)箏一般都有長(zhǎng)長(zhǎng)的尾巴，這尾巴也起到了平衡的作用，使風(fēng)箏不會(huì)在空中亂轉(zhuǎn)。
當(dāng)然，風(fēng)箏做得好不好，試飛一下才知道。想要把風(fēng)箏放得好，里面的學(xué)問(wèn)也不小：放風(fēng)箏如同賽馬，一線相連，風(fēng)箏線就如韁繩，緊拉繩子，就像馴馬一般，人隨漂移而前后奔走。這個(gè)過(guò)程中，是要研究大氣流向的，還要依據(jù)風(fēng)力調(diào)整提線角度，考慮風(fēng)箏的受風(fēng)面積、重力點(diǎn)等問(wèn)題，比如今天吹偏北風(fēng)，那邊有幾幢樓可能有多少影響，哪個(gè)位置需要一把拉上，心里都要有數(shù)。
當(dāng)我們穿越漫長(zhǎng)歷史，還會(huì)發(fā)現(xiàn)，在一些“超級(jí)玩家”手中，風(fēng)箏被賦予了更偉大的使命。他們利用風(fēng)箏升空的原理，進(jìn)行了很多科學(xué)實(shí)驗(yàn)，對(duì)人類的發(fā)展起了巨大的推動(dòng)作用。
最有名的是威爾伯.萊特和奧維爾.萊特，萊特兄弟受到風(fēng)箏的啟發(fā)，先后制成三架風(fēng)箏式滑翔機(jī)，進(jìn)行了上千次的放飛試驗(yàn)，不斷探索和改進(jìn)，最終研制出第一架使用內(nèi)燃機(jī)的飛機(jī)。
掙脫重力，從大地飛上天空、宇宙，一直都是人類的夢(mèng)想。中國(guó)發(fā)明的風(fēng)箏，誕生于兩千多年前，就是人類最早的飛行器，也是世界上第一種重于空氣的飛行器。所以，下次再去放風(fēng)箏時(shí)，同學(xué)們可別忘了，你們手上的風(fēng)箏可不僅僅是民間工藝品和玩具，它曾對(duì)科學(xué)技術(shù)的發(fā)展也起到特殊的作用。
紙鳶為何能夠飛上天
受力分析破解“小技巧”
同學(xué)們都知道，地球上有質(zhì)量的物體都受到重力作用，宏觀表現(xiàn)為生活中各種物體在無(wú)支持力作用下都會(huì)自由落體運(yùn)動(dòng)。風(fēng)箏也不例外。
那么，比空氣重的風(fēng)箏，為什么能飛上天呢？
結(jié)合生活中的經(jīng)驗(yàn)，風(fēng)箏想飛上天，要有兩個(gè)必要條件：一是要在有風(fēng)的天氣下；二是風(fēng)箏得有提線的牽引，“斷線的風(fēng)箏”必定很快會(huì)掉下來(lái)。
那么，風(fēng)箏起飛一定需要風(fēng)嗎？回答這個(gè)問(wèn)題之前，我們先設(shè)想兩個(gè)情景：
第一個(gè)情景，風(fēng)箏在月球上能不能起飛？我們知道，風(fēng)箏起飛要受到一個(gè)豎直向上的力，這個(gè)向上的力不會(huì)是由向下繩子的拉力產(chǎn)生，而是空氣作用產(chǎn)生的力，月球上沒(méi)有空氣，所以月球上風(fēng)箏起飛無(wú)法起飛。
第二個(gè)情景，風(fēng)箏在無(wú)風(fēng)情況下能不能起飛？先思考一下，上面提到的空氣的力是什么，中學(xué)科學(xué)課本中提到，空氣在不同的流速下會(huì)有不同的壓強(qiáng)，當(dāng)壓強(qiáng)高的區(qū)域向氣壓低的區(qū)域移動(dòng)時(shí)候，就形成了風(fēng)。在無(wú)風(fēng)情況下，空氣中各個(gè)區(qū)域的流速是一致的，也就是空氣密度分布均勻，此時(shí)風(fēng)箏在飛行過(guò)程中無(wú)論哪個(gè)朝向，空氣流速相對(duì)風(fēng)箏各部分也都是相等的，不能形成壓強(qiáng)差，也就無(wú)法給風(fēng)箏一個(gè)力。所以，風(fēng)箏起飛需要風(fēng)。
通過(guò)以上兩個(gè)場(chǎng)景的分析，我們了解到，放風(fēng)箏需要借助風(fēng)的力量。
同時(shí)，同學(xué)們還應(yīng)該知道，大多數(shù)情況下，我們?cè)诘孛嫔嫌龅降牟皇菑?qiáng)對(duì)流風(fēng)，而是地面風(fēng)，地面風(fēng)流動(dòng)方向基本平行于地面。當(dāng)風(fēng)箏橫斷地面風(fēng)時(shí)，風(fēng)箏迎風(fēng)的一面阻塞空氣分子，改變了空氣分子動(dòng)量，產(chǎn)生一個(gè)垂直風(fēng)箏面的力，若此時(shí)風(fēng)箏傾斜，這個(gè)力分解為兩個(gè)方向的分力，一個(gè)是與地面風(fēng)流方向一致的水平分力，另一個(gè)力是豎直向上的分力，這個(gè)力即為風(fēng)箏飛升的升力，也就是我們所說(shuō)的揚(yáng)力。
從大氣壓強(qiáng)角度來(lái)解釋，風(fēng)箏在空中受風(fēng)作用，風(fēng)箏下層的空氣受風(fēng)箏面的阻塞，空氣的流速減緩，大氣壓強(qiáng)升高；風(fēng)箏上層的空氣流速相對(duì)較高，大氣壓強(qiáng)較低，使風(fēng)箏上下面形成壓強(qiáng)差，在揚(yáng)力即是由這種壓強(qiáng)差而產(chǎn)生的。
根據(jù)力的分解可知，風(fēng)箏在飛行過(guò)程中自身的重力大小不變，方向豎直向下；揚(yáng)力隨風(fēng)力大小而改變，方向垂直于風(fēng)箏表面斜向上；而牽引繩的拉力隨人手施加的拉力而改變。當(dāng)揚(yáng)力的豎直分力大于風(fēng)箏自重和牽引繩拉力的豎直分力時(shí)，風(fēng)箏會(huì)越飛越高；當(dāng)揚(yáng)力的水平分力大于風(fēng)箏自重和牽引繩拉力的水平分力時(shí)，風(fēng)箏會(huì)在水平方向遠(yuǎn)離我們所處的位置；而當(dāng)風(fēng)力、牽引力和揚(yáng)力這三個(gè)力達(dá)到受力平衡時(shí)，風(fēng)箏就會(huì)穩(wěn)定地漂浮在空中。
了解了風(fēng)箏的受力情況，我們就可以有針對(duì)性地放風(fēng)箏了！
在起飛階段，風(fēng)箏需要受到足夠大風(fēng)力的推動(dòng)，才能從我們手中起飛，而在當(dāng)風(fēng)力不足以托起風(fēng)箏時(shí)，我們還會(huì)通過(guò)助跑來(lái)增加風(fēng)箏受到的揚(yáng)力。
此外，合適的角度可以讓風(fēng)箏很快受到足夠強(qiáng)并且傾斜向上的揚(yáng)力，如果要想風(fēng)箏的揚(yáng)力越大，風(fēng)箏牽引的線與地面的夾角就要越大，這樣就會(huì)飛得更高！
興趣小組
高壓線附近為何不能放風(fēng)箏？
天氣晴好時(shí)，放風(fēng)箏是不錯(cuò)的休閑活動(dòng)，但在快樂(lè)玩耍的同時(shí)，安全意識(shí)別忘記。
大型風(fēng)箏線的材質(zhì)多為凱夫拉線或特多倫線，其特點(diǎn)是不容易斷。這一根根纖細(xì)的風(fēng)箏線，雖然看上去毫不起眼，卻可能成為傷人“利器”，可以是隱形的利刃。
近年來(lái)，因風(fēng)箏放飛后失控，風(fēng)箏線傷人、毀物的案例屢見(jiàn)報(bào)端。2019年10月，坐落在西湖邊的寶石山上的保俶塔，其塔尖就曾因風(fēng)箏線纏繞拉扯導(dǎo)致傾斜。據(jù)介紹，保俶塔塔尖內(nèi)有混凝土柱子，外部是一層明代的青銅外殼，因塔頂風(fēng)速大，風(fēng)箏線拉扯的力度之大遠(yuǎn)超想象。
從物理學(xué)的角度來(lái)說(shuō)，風(fēng)箏線的“殺傷力”與材質(zhì)、風(fēng)力大小、風(fēng)箏的面積和高度，及風(fēng)箏線瞬間作用于皮膚的力和時(shí)間長(zhǎng)短等因素有關(guān)。風(fēng)箏線越細(xì)，被切割物體運(yùn)動(dòng)速度越快，風(fēng)箏線與物體接觸時(shí)間越少，產(chǎn)生的作用力就越大，換句話來(lái)說(shuō)就是對(duì)與之接觸的人體傷害越大。
以一名體重為50公斤的人為例，當(dāng)其以每秒5米的速度，與直徑0.5毫米的風(fēng)箏線相撞，接觸時(shí)間大概為1秒，接觸長(zhǎng)度為10厘米，根據(jù)物理學(xué)中的動(dòng)量定理以及壓強(qiáng)公式推算，其與風(fēng)箏線相撞時(shí)的壓強(qiáng)達(dá)到2兆帕斯卡，這約相當(dāng)于100斤的物體壓在一個(gè)指甲蓋上的壓強(qiáng)，傷害非常大。
建議大家在放風(fēng)箏前做好充分防護(hù)準(zhǔn)備，不要盲目選用面積較大的風(fēng)箏，以防在強(qiáng)風(fēng)下難以控制。同時(shí)，放風(fēng)箏要選擇空曠的場(chǎng)地，避開(kāi)建筑物和樹(shù)木，設(shè)置高壓線的地方和公路、鐵路兩側(cè)絕對(duì)不能放風(fēng)箏。另外，在放風(fēng)箏的時(shí)候，如果風(fēng)箏掛在了樹(shù)上無(wú)法取下，請(qǐng)不要一走了之，最好剪斷風(fēng)箏線，避免懸浮的風(fēng)箏線繃緊后傷及路人。
值得一提的是，根據(jù)我國(guó)《電力法》等相關(guān)法律法規(guī)，高壓線附近300米內(nèi)，都屬于禁放飛風(fēng)箏的區(qū)域。因?yàn)閷?duì)于高壓電線來(lái)說(shuō)，空中的風(fēng)箏線算是導(dǎo)體或半導(dǎo)體，風(fēng)箏線兩頭一旦各搭著高壓電線，就很容易引發(fā)線路短路，導(dǎo)致跳閘停電。短路的電線燃燒后還可能掉落，導(dǎo)致人畜觸電傷亡，或是造成火災(zāi)。
考考你
請(qǐng)從力學(xué)的角度分析一下，風(fēng)箏斷（脫）了線后會(huì)是怎么樣的狀態(tài)，為什么？
答案：風(fēng)箏斷（脫）了線將會(huì)掉落到地面。風(fēng)箏在空中飛行，受到繩子的拉力和空氣中的揚(yáng)力作用，使風(fēng)箏在迎風(fēng)面保持近45度左右的仰角，當(dāng)風(fēng)箏斷（脫）了線，空氣中的揚(yáng)力使風(fēng)箏迎風(fēng)面近乎垂直地面，并在重力的影響下，風(fēng)箏最終掉落地面。
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