该重估风阻型高空风能转换机理的价值了(二)

——原理和应用都尴尬了——

  就本质而言,基于风筝的风阻型机理要实现风载的受控变化,具有两个候选参数:迎角风载面积。由于后者涉及的机构看起来更复杂,因而“迎角”就成了首选。于是就有了至今仍广为流传的“(利用)风筝发电的原理”:“当风筝表面垂直于气流时……;当风筝表面平行于气流时……”。
  然而,如此简易的原理却在实施中“暴击”了践行者的认知:当增加迎角以增大风载时,系绳开始了逆风摆动,而系绳张力却随之呈现出了微分响应特性。更严重的是,当系绳因为摆动速度产生的风载使弯曲加剧后,系绳张力的下降更快。直至系绳的摆动速度开始下降,系绳的弯曲才随之趋于原本由自重和环境风速所决定的状态。真正的悲催是:当所有滞空结构处于新的稳态后,除了滞空高度出现了非预期的增加,系绳的张力并没有如想象的出现有价值的增大,甚至可能会还碰到反而减小的诡异情况!
  恰恰在此时,风速型机理显现出了碾压式的优势——系绳的张力随系绳的逆风摆动速度增加而得到了超出预期的提升,并且同时还使系绳的弯曲变化得到了抑制。
  这,就是那个道岔——系绳摆动。而扳动它的显然是一个在已有的相关著述中名不见经传的“家伙”。只是,毕竟翼形结构产生的动压升力实在是太耀眼了。哪怕是在风筝的故乡,人们也笃定伯努利大人说的没错。所以,竟然一直没人有心去搭理一下这显然和风载关系暧昧的家伙,就让它这么一直在那儿搞怪。
  但时至今日,风阻型机理要想抓住机遇重新站起来,将这个隐匿了上千年的无名之辈暴露于光天化日之下已是无法回避的“首战”。

——找到了正主更尴尬——

  为此,先要再次依据补充后的力学概念解构在风筝的结构中限定其力学关系的结构特征。
  力学概念:形心——风载结构的风载合力作用点;风载——大气的动能损失对风载面产生的与其法线重合的压力;前后提线的张力所形成的合力与系绳张力为二力平衡。余者照旧。
  结构特征:前后提线的长度及其在风载平面对称轴上的位置,决定了系绳滞空端中心线与风载平面的夹角以及与风载平面形心的距离;风载平面的形心、重心通常默认为重合。余者照旧。
  基于以上所列,若以“风载平面的形心、重心均处于系绳滞空端中心线的下游”为例,则处于稳定滞空状态的风筝所表现出的具有普遍意义的空间姿态特征是:提线与风载平面对称轴组成的三角形同时与风向、各滞空构件的质量力以及风载处于同一平面内;而此时与滞空性能相关的力学特征则是:风载不仅是通过在前后提线上产生的张力影响系绳张力,更关键的是同时还基于系绳的系留端,与滞空结构的质量力和系绳风载形成了力矩平衡
  由于滞空结构的质量以及系绳风载的变化只源于系绳长度的变化且增量有限,因此相对于追求使系绳张力的变比最大化的风载受控变化量而言,无法获得相应“新力”的风筝必然要通过也只能通过系绳摆动使迎角发生变化,以衰减风载对控制输入的响应,从而获得新的力矩平衡。事实上,风筝正是基于这种优异的自适应平衡能力才得以可靠的自持滞空。
  至此,终于揭开了这个无名之辈的真面目——风载相对于系绳系留端的力矩。这是产生系绳摆动的力学本质,而风筝的升空是系绳摆动的结果。

添加了系留点后的板式风筝受力简图

  所以,尴尬了!原来这个早就悄悄躲在中国板式风筝里的无名之辈,居然对风筝文化的千载传承、天下同乐还功莫大焉——能“飞天”才是硬道理。
  好在总算明白了风筝达人为啥总说“通过调整提线改变风筝的'升空’和'升高'的性能”。而前文所述的“风速型机理其实是由风阻型机理提供了基本的飞行动力”也有了合理的力学释义。
  遗憾的是,第一个做出中国板式风筝的那位先祖并没再去接着琢磨:这不过是个“玩意儿”的物件儿还能用来干点儿啥。要是这位先祖知道千年之后,全天下都曾巴望着用这“玩意儿”源源不断的从天上抽出“Kite Power”来,会不会因为无数的后生们竟一直安于“知其然不知其所以然”而恼羞成怒。

  必须要说明的是:至少NASA在其科普网站上早前就对box Kite的风载存在力矩作用进行了阐述(见下图),但却令人费解的将基点选在了系绳的滞空端。而通常只有在系绳张力极弱的条件下,风载结构才可能发生基于系绳滞空端的转动,否则,这个力矩只能做为施加在系绳滞空端的弯矩加剧系绳的弯曲。这也是至少在理论上存在“系绳张力的衰减速度大于系绳系留端的系绳角速度”这种状况的根源。

图源:https://www.grc.nasa.gov/WWW/K-12/airplane/kitetor.htm
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