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。
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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