问题

放风筝时风筝线是弯曲的,这条曲线长什么样呢?

回答
放风筝时,风筝线呈现出的曲线,根据其所受的力以及状态的不同,其形状也并非完全固定,但最基本、最常见的情况是呈现出近似于抛物线的形状。然而,仔细分析,你会发现它是一个比标准抛物线更复杂的曲线,它受到重力和风力双重作用。

为了详细讲述风筝线的曲线形状,我们可以从以下几个方面来理解:

1. 受力分析:风筝线上的力

首先,我们来分析风筝线上各个点所受到的力:

风筝的拉力 (T_kite): 这是风筝受到风的作用,通过风筝线向放线者(你)传递的拉力。这个力是沿着风筝线方向的。
风筝线自身的重力 (w): 每一段风筝线都有其自身的重量,这个重力是竖直向下的。
空气阻力 (D): 风筝线在空中移动时,也会受到空气的阻力。这股力会阻碍风筝线的运动,并且方向与风筝线相对于空气的运动方向相反。空气阻力的具体大小和方向与风筝线的速度、风速、风筝线材质、形状等因素有关,比较复杂。
线的张力 (T): 在风筝线的任意一点,线的张力是指相邻部分对该点的拉力。这个拉力是沿着线的切线方向的。

2. 理想情况下的近似抛物线

如果我们忽略空气阻力,只考虑风筝线自身的重力和风筝拉力的合力作用,并且假设风筝是静止的(虽然实际情况不是),那么风筝线的形状会非常接近于一个悬链线 (Catenary)。

什么是悬链线?

悬链线是当一个均匀的、柔韧的、不可伸长的链条(或绳索)在其自身重力作用下自然下垂时所形成的曲线。它的数学方程是:

$y = a cosh(x/a)$

其中,$a$ 是一个常数,取决于链条的长度和均匀性。

悬链线是自然下垂的曲线,它在数学上是严格定义的。

为什么说风筝线近似抛物线?

虽然理论上是悬链线,但因为风筝线通常非常细,其自身重力相对于风筝受到的拉力来说可能较小。在很多情况下,尤其是在风力较大、风筝拉力足够强的情况下,风筝线可以被拉得很直,其弯曲程度相对较小。在这种情况下,悬链线可以通过一个抛物线 (Parabola) 来进行近似。

抛物线的数学方程是:

$y = ax^2$

抛物线在形状上与悬链线在小范围内的形状非常相似。许多初学者或在不追求极高精度的情况下,会将风筝线的形状近似为抛物线。

3. 实际情况下的复杂曲线

然而,在实际放风筝的过程中,情况更为复杂,风筝线并不是单纯的悬链线或抛物线,它是一个更复杂的“力学平衡曲线”,受到上述所有力的共同作用。

风力对线的直接影响: 空气流动的风会直接作用在风筝线本身,产生向下的、向侧面(取决于风向)的推力,也产生阻力。这些力会使得风筝线不再仅仅是受自身重力和终端拉力的影响。
风筝的动态运动: 风筝不是静止的,它在空中会摇摆、起伏,甚至进行复杂的飞行。这意味着风筝通过风筝线传递的拉力是不断变化的,不仅大小变化,方向也可能变化。
空气阻力: 风筝线在空气中移动时产生的空气阻力,尤其是当风筝线的速度较大时,会成为一个不可忽视的因素。空气阻力通常与速度的平方成正比,并且方向与速度相反。

因此,实际的风筝线曲线,其形状是:

从放线者(你)的手到风筝,风筝线是向下倾斜的。
在离地面越近的地方,线的弯曲程度可能越大,因为重力的影响相对更明显。
在靠近风筝的地方,线的拉力很大,并且方向大致指向风筝的重心或者受到风力最大的那个点。
整条线会呈现出一种平滑的、连续的曲线。
它的形状不是一个简单的数学函数(如标准的抛物线或悬链线)能够完全精确描述的,而是这些因素综合作用下达到力学平衡的结果。

更直观的比喻:

你可以想象一下,你手里握着一根细绳,绳子的另一头挂着一个非常重的物体(代表风筝的拉力)。绳子在重力作用下会自然下垂成悬链线。现在,你稍微向上拽动绳子的另一头(代表风筝的拉力),并且在绳子上施加一个水平方向的力(代表风的侧向推力),同时考虑到绳子自身的重量。最终形成的形状,就是风筝线的形状。

总结来说,风筝线的曲线:

最简单的近似是抛物线。
更精确的理想模型是悬链线(如果只考虑重力和终端拉力)。
在实际放风筝时,它是一个受到风筝拉力、风筝线自身重力、风力对线的作用以及空气阻力共同影响的复杂力学平衡曲线,其形状是动态变化的,并且在大多数情况下更接近于一个具有特定形状的平滑曲线,而不是一个标准的、简单的数学曲线。

如果你观察仔细,你会发现风筝线的弧度是动态的,随着风力、风筝的飞行姿态而变化。有时候风大线绷得直,弧度就小;有时候风小或者风筝晃动,弧度就会增大。

网友意见

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题主,你听我一句话,现实世界水很深,解析解他把握不住,得让数值解来。


其实这个问题是有实际应用的,属于非常典型的“航空拖曳”问题。如图:



在很多场景中都需要知道这根线的形状,而且不止形状,线在空间中的摆动规律、幅值都需要分析清楚,这里面要分析流场影响、线的材质、拖曳物体气动特性、线管内是否有液体流动等因素。所以本问中只在二维平面内运动的风筝线只能算入门难度。本文将利用MATLAB的multibody模块对风筝线的形状和运动进行模拟,模型文件在文末提供。


这类问题的常规解决办法是将线看做n段直杆的连接,每段直杆质量分布均匀且看做刚体。直杆之间使用铰接,铰接有扭簧性质,即受弯会产生恢复力矩。每根直杆除了受到两端的拉力和力矩外,还受过重心的重力和气动力。与地面和风筝连接的铰不存在扭簧弹力和摩擦力。一般来说这根线分成越多份直线段,模拟结果越准,这里我们将其分为10段,开始建立模型:


线段模型

将风筝线看做多根匀质刚性连杆的组合体,如图:




线段间使用铰(红框)相连,考虑到风筝线或是其他绳索不能无阻力弯曲折叠,所以定义此铰接具备扭簧弹力和旋转阻尼,使其具备变形恢复趋势和耗散能量的能力,具体参数值可在配置文件中定义。


通过测量每条线段与世界坐标系的角度,计算每条线段与风的夹角,从而计算出每条线段所受风的阻力,并使阻力作用在线段上(绿框)。这里认为线段阻力系数恒定,使用迎风面积计算阻力,即线段与风垂直时阻力最大,与风平行时没有阻力,认为线段不产生升力。空气密度、风速、风向由配置文件定义。


将以上线段模型进行封装,可得单条线段的模型,之后想用多少条线段就可以直接复制粘贴并连接在一起:




风筝模型

定义一个简陋的风筝。风筝为正方形,边长、重量由配置文件定义:


定义风筝具有3个连接点,其中1个连接点用于与线段连接,1个连接点用作升力和阻力作用点,1个连接点用于备份,因为肯定有人想在后面连上更多线和风筝,形成蜈蚣风筝:


风筝与线的连接情况如上图,这里两者的连接点不在风筝面上是因为:众所周知,风筝是多条线汇合到一个点与放风筝的线连接的,连接点并不在风筝上。


风筝阻力计算与线段类似。风筝升力计算使用了一个非常简陋的假设:假设风筝升力始终向上。做这个假设的原因是防止出现无控制状态下风筝不能放飞的情况。风筝力矩计算是根据风筝的迎角计算得出。最终把风筝封装起来,与线段相连,整个模拟系统就搭建完毕:





模拟结果







当然还可以模拟以下情况:


结束语

本模拟程序只是搭建了一个简单的框架,其中对升力变化和气动阻尼考虑得不够充分,所以有些时候风筝和风筝线的运动会有些奇怪,但是对于风筝线稳态的形状应该能有较好的模拟效果。模型文件放到了公众号“飞行课”中,感兴趣的朋友可以公众号内回复“风筝线”获取。

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风荷载作用下风筝线的形状

按:浏览了一下本题下的回答,发现多数都在讨论悬链线,无论是用平衡法 (@奶牛小雪球)还是用变分法 (@杜帅) 都已经说的比较到位了。我做了一下核算,发现风比较大时,风荷载可以远大于自重荷载,所以觉得还是有必要对风荷载作用下风筝线的形状进行讨论。讨论过程中发现,题主的提问还是经过仔细考虑的,比如风速剖面,实际情况确如题主所言,是按指数规律变化的。

1、风筝线上的荷载

2、风筝线的平衡方程

3、风筝线的形状积分


得益于 @高崎汀步 建设性的提示,式(31)可以继续引入变换进一步积分。如下。

4、风筝线形状积分 plus

5、结语

在风荷载和重力荷载共同作用下,风筝线的形状函数由Riccati方程 [式(42)] 控制;根据该Riccati方程的特点,可通过小参数摄动获得其特解的展开式,进而积分得出通解 [式(45)]。

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