风筝的原理

-------重庆电子校 王者勇飞 整理

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，是国内风筝，还是国外风筝，均离不开飞升的三大平衡原理，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。

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、F2引成的旋转力矩的，只要对称力矩≥旋转力矩，风筝就可达到飞升的平衡，相对来说，风筝两侧的臂（即“横杆”）越大，两端羽毛越多，其对称力矩就越大，因而风筝的稳定性就越好，但是两侧的臂亦不能过长，因为过长会增加风筝重量，从而使风筝飞不高，一般来说，风筝腰的单侧臂长为腰子直径的1.5倍左右，而臂的长短粗细及臂端的羽毛数量亦应视其腰子直径的不同而不同，腰子直径大者，臂粗长，羽毛多；反之，臂细短、羽毛少。

3、风筝飞升的“定向出风”平衡原理

3.1硬翅风筝的“定向出风”平衡原理

大家知道，硬翅风筝它们都有一个共同的特点，就是风筝两侧硬翅不但大小相等，而且有一个深浅一致的对称凹槽曲面,由图5可知,F1、F2是忽左忽右的风流形成的，故F1≠F2，从而形成了使风筝旋转的力矩，而F3、F4是使风筝硬翅的对称凹槽曲面形成的“定向出风”力矩的力。且可用人为的方法调整至两力相等，因为F3、F4大小相等，方向向两翅斜后方，形成风筝的对称力矩，只要对称力矩≥旋转力矩，风筝即可达到飞升的平衡，不难看出，只要两翅对称，其凹槽曲面越深，风筝“定向出风”的力（F3、F4）越大，风筝也就飞得越平衡，但是硬翅的凹槽曲面也不能做得过深，因为太深了，凹槽曲面的后倾角太大，这样会减小风流阻力，因而风筝也就飞不高了。一般来说，上下翅条弯头所形成的凹槽曲面最深处的夹角为95度左右，此外，风筝的平面部分，如下身框架，既要考虑左右对称，且竹条要小些，这样使风筝能得到良好的排风效果

3.2软翅风筝飞升的“定向出风”平衡原理

软翅风筝的品种最多，其飞升的平衡原理均为“定向出风”。由图6可知，所有软翅风筝的翅膀下缘均为软边，当风筝受风力后，软边即发生变形，（向后鼓起）图6中的虚线以下部分为主要变形区域。上此，必然形成风流定向由软翅的虚线区域下部流出风筝，即“定向出风”。图6中，F1、F2是忽左忽右的风力形成的，故F1≠F2，从而形成风筝旋转的力矩，F3、F4可用人为的方法调整至两力相等。此两力形成大，小相等，方向相同的对称力矩，只要对称力矩≥旋转力矩，风筝即能达到平衡飞升，软翅风筝翅条的软硬程度，软区的大小，目前尚凭经验，很难用数据表示。　　

3.3圆弧瓦片式风筝飞升的“定向出风”平衡原理

圆弧瓦片式风筝，其外形多为长方形、T字形、六角形等。如图9，为长方形圆弧瓦片式风筝，此类风筝将多根水平竹条用线拉成相同的弓形圆弧，中间用一根或数根对称交叉的竹条将水平竹条固定成一体，由于此类风筝左右两侧无竹条，为软边，故风筝受力后，便形成左右对称的凹面圆弧，风流便定向地从各凹面圆弧排出，即“定向出风”。各水平竹条用线拉成的圆弧可用人为的方法使其左右曲率半径相等，达到力F1=F2；F3=F4；F5=F6。此三对力各自基本在同一直线上，大小相等，方向向两侧斜后方，形成对称力矩，只要对称力矩≥旋转力矩，风筝即可达到平稳飞升。

3.4.平面组合风筝飞升的“定向出风”平衡原理

只要将多片平面巧妙组合，做到“定向出风”，即能使风筝平稳飞升，平面组合风筝的形式主要有以下几种，其一，将多片面组合成对称交叉的角度；其二，将多片平面组合成对称风槽或具有对称的后倾角；其三，将多片平面组合成风筒；其四，将前三种形式同时应用，即将多片平面组合成既左右对称的，而内外上下又重迭交错的复杂外形。

小结

1．由于地面上的风不是平稳流动的，所以，对于平板式风筝来讲，即使做得完全对称，也不能不坠重而平稳飞升，因其不具备“定向出风”的条件，所以只能借助“堕重”或“横杆”来获得平衡而飞升，这就是平板式风筝“堕重”平衡原理和“横杆”平衡原理。

2． 如果风筝既不借助“堕重”或“横杆”，又要使其平稳飞升，那么，就必须做到对称“定向出风”，且“定向出风”所形成的对称力矩必须大于风流的忽左忽右所形成的旋转力矩，这就是风筝飞升的极其重要的“定向出风”平衡原理。

3．风筝“定向出风”的效果越好，风筝飞得越平稳，但风流阻力和迎风面却相应减小，因此，风筝的飞升角度亦会减小，所以，“定向出风”的效果和风流阻力及迎风面的大小必须相互兼

4．风筝的飞升角度与风筝“定向出风”的方向关系很大，即风筝“定向出风”的方向越接近垂直向下，则风筝飞升的角度越大，原理是：根据力学中作用力与反作用力的原理，如果风筝能做到向下“定向出风”，必然给风筝一个向上的反作用力，因而加大了风筝的飞升角度。

上面就是我对风筝运力的简单的阐述,错误之处还请各位指正！

风筝制作总汇（扎、糊、绘）

扎

一、选材：中国风筝的骨架制作以各种竹材为主，辅以苇子，高粱杆等。现代开始用木材、玻璃纤维、碳纤维复合材料或轻金属。

二、劈竹、削竹（省略）

三、弯竹：竹材的一个重要特性是在一定的温度下它的结构变软，很容易弯曲，在弯曲状态下冷却便可定型。利用竹材的这个特性，便可制作出各种弯曲复杂的零件来。中国风筝的玲珑精巧也和使用这种可以任意弯曲的竹材有关。

1．热源：可使用各种热源加工竹材，传统中国风筝制作中使用蜡烛和煤油灯。后者可调节火焰的大小·又有玻璃罩集热，所以更好使用。弯大竹要用酒精或汽油喷灯加热。现在弯较小的竹条使用焊接用的电烙铁，效果很好。因为它没有明火只辐射热，同时竹条可以靠在它上面弯曲，比在火焰上悬空弯曲要容易得多。 2．弯曲方法：

（1）预热：在热源上把竹条均匀地加热到一定的温度。预热不能过急，要设法使竹条的内部也被加热，而外部不能烧焦，这就要不停地转动竹条，并来回移动，使其各部逐步加温。这过程视竹条的粗细而定，一般细条时间短，粗条就长一些。

（2）弯曲：预热到一定温度后，竹条变软，便可弯曲。但弯曲要适度，过急则会弯断，使零件报废，过慢竹条冷却则弯不到家。因此要掌握好时机，稳准地弯曲，最好一次成功。在电烙铁上弯曲时可一段段地进行，最后弯成一个较大的弧形，小弧形则一弯而成。竹皮向外弯曲容易，竹皮向内弯曲困难。

（3）定型：弯曲后可把竹条放入冷水，使其冷却定型。定型后可能有少许回弹，因此在弯曲时，可比图纸需要的弯度更大一点，回弹后正好合适。

四、连接：把各个竹条零件连接在一起，组成风筝的整体骨架。

连接的方法（很多，其中在传统中国风筝制作中使用最多的是绑扎，其实除“扎”之外，还有扣楔、活头、插接等。    1．绑扎：      绑扎的材料有线、麻皮、纸和纺织品的条。传统的中国风筝精细的用线。成批生产的用麻皮和纸边或绢条（糊风筝裁下来的边条）绑扎。现代的大中型中国风筝在接口涂胶后，用带胶的无纺布条绑扎，强度很大。风筝骨架上竹条的接头很多，各种各样都有，归纳起来不外乎垂直、平行和倾斜三种连接方式。

     （1）垂直连接：可分为：交叉接、卡接和搭接三种。交叉接简单，但强度不大，而且骨架不平。交叉接一般用十字绑线法。卡接时要有一根条劈开，卡在另一恨条上，强度不如搭接，但比交叉连接骨架平些。搭接时要有一根条弯曲90度，但强度大，骨架平，可用平行绑线法。

     （2）平行连接：分斜口接和搭口接两种。两根相接竹条互切斜口，对在一起再绑扎叫斜口接。这样既平整又美观，但斜口的长度要在竹条厚度的6倍以上，才有足够的强度。搭口接既简单，强度又大，但两条有一个面不在同一直线上。（3）倾斜连接：倾斜连接与垂直连接类似。只是角度不同，因此乃可用交叉、搭接和卡接三法。    2．扣楔：这是天津风筝所常用的一种传统连接方法。这是一种在纵向骨架上的打孔，而横向骨架穿孔联接的方法。这和连接用在制作旋转体的风筝部件很有效，如鸟、虫的肚子、花篮、灯笼等。    3．活头：为了折叠的部分，要作成活动的接头，叫做“活头”。在中国风筝里最常用的是套锁活头。它的构造是两条搭接，中间以一横轴相连，两端各有一金属环套。环套松开，两条可折；环套套紧两条的接头两端，则两根竹条便成一根张开的竹条一样。    4．插接：风筝上有一些可拆装的零件，需要插接。最常用的传统方法是套管插接，小型风筝用苇管，中型风筝用竹管，大型风筝要用专门制作的套管连接。制作插管时要考虑到插紧后的摩擦力和抗弯曲力，所以插管必须有一定的长度，不能太短。

糊

糊之前

1．取形：风筝上平面部分取形容易，只要把蒙面材料铺在风筝图纸上绘下外形来就完了。但在风筝上有很多曲面，如沙燕的翅膀，就是一个复杂曲面，取形时必须先用一张纸放在沙燕翅膀的骨架上比好，并沿边缘剪下来，然后再按纸样绘在蒙面材料上。

2．留边：下料时必须略大于纸样的边缘，而且要比糊蒙面时所用的卷边稍大一些。　

3．纹理：不论是纸还是纺织品，大都有自己的纹理方向，下料时一定要考虑纹理，务必使风筝左右的纹理对称，而且尽量避免使用倾斜的纹理。

糊过程中

1．涂胶：糊纸前，往往先把胶涂在骨架上。糊纸、绢时，目前最好的胶是乳胶（聚醋酸乙烯乳液），而胶的浓度要看所糊材料而定，原则上讲，所糊的材料越薄，不要很大强度的，可用稀一点的胶水。所糊材料强度大，要求胶合强度也大的，胶水要浓一些。涂胶最好用毛笔轻轻涂在骨架上，胶要均匀。要注意一些骨架的角落里不要积留很多胶水，这会使蒙面不平整。

2．蒙面：往涂好胶的骨架上蒙面要准确地放在骨架上，尽量少移动。否则会把胶擦掉。蒙面在骨架上要平整，各处的松紧程度要相向，绝不能有的地方紧，有的地方松，这会引起风筝的扭曲变形，严重影响飞行。蒙面的骨架上定位后，要用手轻压四周，使蒙面与骨架贴牢，但不忙卷边。因为在胶未干前卷边会造成四周拉紧不均的现象。

四、边缘处理：在把蒙面粘在骨架上以后，边缘的处理是糊风筝这道工序中的一个重要步骤。根据不同的情况可以有不同的处理方法。

1．切边：当风筝不大，而蒙面与风筝骨架的胶合强度很大时，可直接用刀子把剩余的边缘切掉，叫“切边”。　

2．卷边：当需要增大强度，则把多余的边缘剪下一部分，留一部分涂胶后卷过来，叫“卷边”

3．缝边：当需要更大的强度时，卷边后还要把多余的部分缝上，叫“缝边”。

4．粘边：当用塑料薄膜蒙面时，它与骨架的粘合强度往往不够用，而又不宜缝合时，就要用把多余的边缘卷过来再粘合的方法，叫“粘边”。

5、校正：在蒙面的过程中要不断地检查风筝骨架的正确位置，发现有扭曲，不对称等情况要随时校正，否则等整个风筝糊完以后再发现问题就不易校正了。

绘

描线：准备好有底色或无底色的蒙面材料以后，就可以开始绘画了。画前先要在白纸上用墨线绘好1／1 的“大样”，各细部花纹都要绘出，只是不用上色。把准备好的蒙面材料铺在“大样”上，用毛笔勾出全部线条来，根据图案的要求，有黑边的全用墨线勾出，大黑面用墨染好，个别图案是白边或色边的用白粉或颜色勾出。对于描线的要求是：准确，均匀，流畅，对称。

染色：指着色。对于没有矾过的“生纸”、“生绢”在勾画的图案上着色之前，先要在着色部分用笔上一遍胶矾水，待干后再上色。凡较大面积地着色，尽量多选用透明水色，小面积着色可用不透明的颜色。如在特殊情况下，要大面积地着不透明颜色时，一定不可上得太浓，太厚，否则会引起蒙面的局部僵硬或局部抽缩，使整个蒙面无法使用。

修饰：指染完色以后的修饰和勾勒方法与绘画同，这里就不详述了。

糊与绘的先后

最后要提及的是“糊”与“绘”的先后问题。绘制中国风筝主要有三种不同的方法：

1．先糊后绘：

这是民间艺人的传统做法之一。他们先用白纸糊在风筝骨架上，然后用调过胶的锅

烟，直接往风筝上绘画黑色的部分。图谱都是在他们头脑里想好的，不用事先打底稿。待黑色干后，再用色笔在适当的地方涂色。最后适当地修饰一下，风筝便绘好了。这种绘制像绘制民间粗瓷上的花纹一样，要有熟练的技巧。绘制出来的纹样滞洒奔放，是中国民间风筝的精品，可惜现在流传下来的已经不多了。

2．先印再糊，最后填色：

为了便于大批生产，中国风筝艺人把风筝的绘制方法与民间木板年画的制作相结合，形成了这种先用木板印出黑色条纹，再糊在风筝骨架上，最后用人工填色或勾出几条最见笔锋的线条的方法。这种方法广泛地用于大批生产的民间风筝上。如天津杨柳青、山东柏家埠的风筝都是这样绘制的。

3．先绘后糊：

这是单件生产，制作精细的风筝可用的方法。近年来，中国的风筝爱好者和国内生产风筝的厂家，大都使用这种方法绘制风筝。绘制的步骤如下：

（1）准备好风筝蒙面的展开图，并把设计好的纹祥用墨线画在上面。

（2）裁好蒙面纸（或绢等），放在展开图上，用铅笔把纹样勾描下来

（3）根据纹样和颜色，分先后在蒙面纸上涂色，勾线和精绘。颜色干后，用熨斗熨平。

（4）把蒙面纸仔细地蒙在风筝骨架上。这里要特别注意接口部分的纹样，要拼准、对齐。

（5）最后修饰。

具体制作各类风筝，一定要注意以下四点：

对称

不论扎制哪种风筝，均要求两侧必须对称。所谓对称，即风筝的两侧在形状、重量及软硬度均应一致。否则，风筝不能起飞或飞起来也会栽头。

体轻

实践证明，同样的风筝体轻者二级风即可放飞，反之则不能。其次，蒙面尽量用轻而细密的面料。彩绘用轻而透明的颜料，如品色、国画色，水彩，尽量少用粗重的广告色。

风道

除了上述两点，重点的是风筝的两侧要有风道。所谓风道在风筝的两侧，各有一凹陷呈槽状结构，此结构可将吹向风筝的风，分流两侧灌出，如此形成左右两条风柱。如果风柱相等，他能夹制风筝不得左右摆动。对风筝起稳定作用。

提线或脚线

风筝不爬高或扎头，调节提线即可解决，风拴提线的重要，风筝种类多种多样，提线有的只拴一根，多则拴十根，甚至一百根，一般常见2-3根，不论提线多少，总的拴法是，上提线要短于下提线，与其风筝面间的夹角一般为85到120度。其目的是使风筝有迎角，易起飞。

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