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[心得交流] 平地风筝滑雪为什么能比风速还快几倍?

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发表于 2019-5-3 21:32 | 显示全部楼层 |阅读模式
本帖最后由 人力扑翼 于 2019-5-3 21:45 编辑

      牵引风筝运动,又称动力风筝运动,包括风筝冲浪、风筝滑雪、风筝滑车等,是近十余年来欧美刚刚兴起的新型运动。
      有报道说,在风速为20Km/H时,平地风筝滑雪速度达到了80Km/H以上。那么,这种利用风力作为动力的运动,为什么可以比风速快几倍呢?
      见下图。该图是水平面上的图。风筝和人体相对于地面的运动速度矢量向东,该运动使风筝得到向西的相对风,称为运动风。自然风是大概向北的。这样,以风筝为原点(参照物)所看到空气运动速度矢量,是运动风和自然风的矢量和,又称视风。该合成风速矢量的反方向,就是风筝的实际迎流方向。


      特别需要注意,空气动力学中的“攻角”、“升力”、“阻力”、“升阻比”、“特性角”等概念,都是相对于迎流方向而言的。攻角是迎流方向到弦线方向的夹角,升力是综合气动力在迎流方向的法方向上的投影,阻力是综合气动力在迎流方向的反方向上的投影,升力和阻力之比是升阻比,迎流方向的法方向到综合气动力方向的夹角是特性角。可见,升阻比是特性角的反余切函数,或者说升阻比的倒数是特性角的反正切函数。
      由翼的特性可知,通常在攻角从几度到十几度的范围内,升阻比是很大的,特性角甚至可以小于攻角,也就是说,综合气动力的方向相对于迎流方向几乎垂直、只稍微向后倾斜一点儿。而当迎流方向不同于运动方向时,相对于迎流方向而后倾斜的综合气动力,相对于运动方向却可以是向前倾斜的了,因此在运动方向上有正的投影。
      综合气动力传导到人体后,其垂直于运动方向的巨大分力被滑板的侧向力抵消,而平行于运动方向的一点儿分力则可以用来克服滑板的正向阻力。无论是雪地滑板还是水上滑板,都要明显地侧斜,而且人体也倒向一侧,就是为了使侧向阻力显著大于正向阻力。而对于滑车,正向的轴承摩擦阻力很小,轮子对地的侧向阻力则很大。
      归纳一些、直接一些地说,把自然风速矢量的反矢量称为负风,把对地运动速度矢量简称为地速,把二者的合成矢量称为空速(相对于空气的运动速度),把地速和空速的差角简称为风偏角,那么,就可以说,利用负风把地速变成空速的风偏角越大,则把综合气动力的“后倾”改成“前倾”的机会也就越大,获得前进动力的机会也就越大。而利用这个机会的方法就是控制好翼弦线的攻角,尽量增大升阻比。这样来说,在滑行速度较快时,最有利的滑行角度,应该是使空速和地速构成以负风为底边的等腰三角形的两腰,也就是概略横风(稍微顺风)滑行。如下图所示。


      不难证明,地速和风速之比,可以接近升阻比。所以牵引风筝运动的速度可以数倍于风速。只要风偏角(横风滑行时约为风速和地速之比的反正切或反正弦)大于特性角,就可以有综合气动力“前倾”的机会。
      其实,帆船的原理也是如此,它靠水下的龙骨来产生很大的侧向阻力,并使用尾舵来维持龙骨的方向。帆板运动也同样。
      那么,牵引风筝、帆船的这种原理,和“小变载波状滑翔”的扑翼原理(见我的前几个帖子)有什么异同呢?
      一个相同之处,是利用实际迎流方向和整体运动方向的差角,把相对于迎流方向稍微后倾的综合气动力,变为相对于整体运动方向前倾的综合气动力。
      不同之处在于,风帆是利用水平风来形成实际迎流方向和整体运动方向的差角,而扑翼是利用翼相对于身的垂直运动来形成实际迎流方向(翼轨迹方向)和整体运动方向的差角; 而又由于翼相对于身的垂直运动有幅度限制,不得不往复运动,这不同于风帆运动中的水平风是持续的;但扑翼中的重力又像风帆运动中的侧阻力一样不变号,所以往复运动必然是一得一失。为了得大于失,就需要使翼载荷有相应的往复变化,在下滑行程中综合气动力“前倾”时加载(增大攻角和身对翼的拉力),在上滑行程中综合气动力“后倾”时减载(减小攻角和身对翼的拉力)。这样,只要综合气动力的周期均值在垂直方向上的分量等于重力,就是水平飞行;只要综合气动力的周期均值在前进方向上的分量等于0,就是等速飞行。

      看看风筝滑雪,速度能达百公里/时左右,平地跃起能达二、三十米高。滑翔翼、牵引风筝、静水中的人力滑水……都在隐约显示着人力扑翼的潜在因素,相关技术参数的发展也步步逼近人力扑翼,人力扑翼不远了!
      再说句闲话。那些航海民族或许对风帆力学有着感觉层面的丰富“基因”,一再创新着流体力学的应用。我们能否在人力扑翼上走在前面一点儿呢?
      
      过些日子,将介绍一种新构想的人力扑翼结构。
发表于 2019-5-3 23:28 | 显示全部楼层
我们的, 以上信息发自手机版论坛
发表于 2019-5-3 23:29 | 显示全部楼层
我们的,我们的确。在家了!一, 以上信息发自手机版论坛
发表于 2019-5-5 02:45 | 显示全部楼层
标题:平地风筝滑雪为什么能比风速还快几倍?的确语出惊人。不知作者从何处得到此论点。是否有客观公正精确的测量数据作依据?!明显违背能量守恒的现象,作者还花费精力企图用经典力学来论证其可信性可行性,并公开发表,实在是浪费自己和大众的生命。
发表于 2019-5-5 11:19 | 显示全部楼层
很牛,没看懂,先顶
 楼主| 发表于 2019-5-6 01:47 | 显示全部楼层
有容乃大:
      1,滑行速度快于风速,并不违背能量守恒定律。试想用手指轻按一下平板上一条湿滑的鱼,它被挤跑的速度可能就会比你往下按的速度还快得多。风筝就相当于这条鱼。
     速度和能量的关系,还有力等其它因素参与其中,不能直接就等于能量了。物理概念要严谨。
      2,滑行速度快于风速,是事实。俄罗斯喀山冰湖的比赛,报道风速20,最快滑速超过了100。对风筝滑雪的介绍,多是说在二、三级风中(12-28公里/时)可以滑到80公里/时的速度。
      如果谁趁机和你打赌,可要当心一点儿。
      3,生命经历奇光异彩更有意义。看来这个题目选对了,属于似假实真悖论。有点儿刺激!
发表于 2019-6-24 09:11 | 显示全部楼层
支支持以身试试亲自上别天天理论
 楼主| 发表于 2019-7-2 12:04 | 显示全部楼层
踩点哥 发表于 2019-6-24 09:11
支支持以身试试亲自上别天天理论

机会给你们年轻人啦
 楼主| 发表于 2019-7-2 12:06 | 显示全部楼层
踩点哥 发表于 2019-6-24 09:11
支支持以身试试亲自上别天天理论

年轻人有机会
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