风筝在飞行中的力学原理研究
2018-01-07 06:42阅读：
风筝在飞行中的力学原理研究
在一次风筝放飞活动中，一只风筝高高在上，其他风筝大都只有十几米高，有些风筝飞得更低。而在它的眼中，二十层楼已低低在下了，于是它得意洋洋地说：“世界上算我飞得最高了吧！”这时，一架飞机从它的上空飞过，它立刻对拉住它的绳子抱怨说：“都是你这该死的绳子拉住我，否则我一定比飞机飞得还高！”
细绳耐心地解释说：“风筝大哥，如果没有我拉住你，你是飞不上天的。”
风筝不服气地说：“你还说的出口：你是把我往下拉的，而我是往上飞的，怎么还说没有你拉住，我飞不上天呢？”
此时，细绳“啪”一声断裂了，风筝无方向、无目标地飘啊飘，最终落到了一堆正在燃烧的篝火之中。
据考证，风筝从发明至今，在我国已有2000多年的历史了，风筝是人类创造的最早的飞行器，是人类智慧的结晶。在历史上，风筝最初用于战争，后来我国人民一直把放飞风筝当作一项娱乐活动。因此，把制作风筝和放飞风筝作为综合实践活动的一项内容，不仅可以提高学生的动手能力和创新能力，而且也可以把课堂内外的教育教学内容有机的结合起来。今天我们就以风筝在飞行中的力学原理这个问题进行研究。
一、进行此项活动可以把课内的教学活动与课内的实践活动有机结合起来，并能充分体现学生的自主性。
（一）课内教学内容的实施
在课内，我们教给学生的是理论知识。有重心等概念，而自行设计并制作风筝首先也得从理论上去分析。因此在课堂内能使学生接收理论知识，并在思维上把理论知识转化为实际操作的思维模型。
（二）课外实践活动的具体操作
1、制作风筝
可以在家里，也可以在其他地方。学生在制作前会自主地去探讨制作时所用的材料，材料的加工方法等，同理也会去研究应符合哪些科学原理等。理论知识自然而然地上升为实际的设计和操作活动了。
2、放飞时，学生会自觉地研究风筝受到哪些力的作用及这些力形成怎么样的合力，风筝飞行原理和技巧等。
可见，课堂内的教学活动与课外的实际活动有机地结合起来了。
二、增加风筝在飞行时的升力方法的研究
我们已经知道，风筝飞上天的动力来自风力，上升力是重力、风力和细绳拉力的合力。因此风筝的面积大小、形状，“骨架”的重力、细绳的重力、风速及风向等都影响着风筝的飞行效果。今天我们就如何增加风筝在飞行时，如何增加风筝每平方米面积升力的方法（原理）作些研究。
（一）增加风筝面积与增加千克质量升力关系的研究
1、我们按如下实验进行研究
取长50厘米和100厘米的竹篾条各三根（六根篾条的粗细相同且均匀），分别在重心处（中点）用细绳挂住，再分别在两头挂上质量相等的钩码（50克），看篾条的下垂距离，测出数据。
实验方法：在小黑板上画上一条标准的水平线，再把篾条与水平线挂平行且高度一致，记下下垂的距离，见下表。
表一：下垂距离与篾条长度对比。
竹篾条（50cm）
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1
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2
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3
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竹篾条（100cm）
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1
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2
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3
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下垂距离
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下垂距离
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力矩
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力矩
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表中数据说明，当篾条长度增加一倍时，下垂是两倍。
理论计算： m1·L1=m2·L2
正确
如果风筝面积增到原来的四倍，那么为了增加风筝的牢固程度，必须把篾条加粗几倍呢？理论计算是把竹条的横截面积增加到原来的四倍。此时篾条的质量增加八倍，因此在风速相等，风筝与地面的夹角相等的情况下每平方上升的合力反而减小。
可见风筝的面积不能无限制地增大。
2、风筝形状与增大升力关系研究
以正方形风筝80cm×80cm和长方形风筝40cm×160cm为例
正方形风筝：篾条长80，按两根计算。
质量是2m1克（粗细适应牢固程度）
长方风筝：一根篾长40cm。因此粗细只要原来的四分之一，质量m=80×8m1=8m1，另一根长160厘米，要粗四倍。因此质量m长=80×4m1=8m1，总质量m总=8m1,风筝的重力大大增加，上升的合力减小。可见越接近正方形形状效果越好。
（二）利用风筒增加升力方法研究
根据以上研究，增加风筝的面积时不一定增加每平方米的升力，同时形状也很受限制，那么还可用其他方法增加单位面积的升力吗？我想，可以增加风筒。
1、风筒形状与上升力研究
请先看飞机翅膀横切面图
机翼横切面上侧的曲率大，下侧曲率小，因此飞机在飞行时，上侧空气流速大，下侧小，导致机翼上侧的空气压强小，下侧空气压强大，飞机不是担任这压力差来产生升力的。
如果模拟飞机机翼的制造原理，在风筝的筝面下适当位置做上四只风筒：模拟机翼的形状，也能产生升力。
“风筝形状：弯曲性的空心圆台。”
力学原理：以上面风速是，下面风速是，产生的压强差，四只风筒产生的升力是牛，而风筒质量是克，重力牛，产生的合力牛。
（三）风筝配置尾巴的作用
级风筝做上尾巴，不仅可以使风筝更加美观，增加风筝的稳定性，也可以增加升力，主要体现在以下几个方面：
1、调整风筝的重心
根据风筝面积大小、质量及风筝面重心的位置，做上大小适宜的尾巴。我们可以把整个风筝的重心调节到适当位置，增加风筝在飞行中的稳定性。
2、可以增加升力
因为风筝的尾巴是不需用竹篾条等坚硬的物体的。因此，单位面积的质量就要小。此时把尾巴做成风筒关，产生的升力效果就很好。
尾巴的做法：扎成一个个小圆筒。
三、飞行时的力学原理
风筝飞上天的动力是风力，而拉住它的细绳尽管拉力方向是倾斜地向下的，但这个力与风力形成了一个向上的合力。我在以下几个方面作些探究；
（一）风速与风筝面积大小而形成的力的大小关系。
当风速达到5米/秒时，垂直吹在1平方米时受到的吹力是牛，风筝重力牛。风筝密度，因此风筝受力公式是。
（二）风的吹力、吹向及风筝飞行时倾斜角与上升力的关系。
若当风力是5米/秒，风的吹向与风筝面成450角时，每平方米受到的吹力是牛，当细绳的拉力方向与风筝面呈900角时，产生的向上的合力是牛。
（三）上升力的公式推理。
若风筝与地面的夹角是450，风是平行于地面吹向风筝的。因此风向与风筝面的夹角也是450，假设吹力是F风牛，则F风被分解成两上力Fa和Fb，细线的拉力是F1（垂直于风筝面），因此风是把风筝倾斜向上推的，推力是Fa=F风，cos450－F1=2
F风－F1，若细线的重力是2牛，则F1=牛。
∴Fa=2
－F1
受力图如下：
四、实践活动后的益处
在具体活动中能培养学生的创新能力。
具体内容：学生想要知道在一定的风速下，例如当风速是6米/秒，且垂直地吹到一平方米的板面上时，受到的风的吹力是多少？学生自然会想到。
（一）在网络上或到图书室去查数据。
（二）当查不到数据时，自己设想发明出测量风吹力的仪器，设计思路：
1、自制能控制风速的吹风仪。
2、在吹风仪前面旋转一块正方形且面积适宜的木板
，四个角落上分别装上四根弹性系数较小且数值相等的弹簧，固定在另一块木板上，刻上刻度即可。
