媒體報導,風箏是因為物理的「向上運動作用力」與當時瞬間風速過大,才能捲起女童;但也有報導指出,用白努利原理(Bernoulli’s Principle)公式計算,得出風箏拉力最大可捲起150公斤物體。
真相究竟是什麼?台大新興科技媒體中心彙整了兩位學者意見:
空軍航空技術學院飛機工程系講座教授 徐子圭
有關8月30日的風箏事件,目前網路上的說法都有部分相關,但不完全是「白努利原理」的現象。
「白努利原理」應用在飛行上,是指機翼之翼形因剖面上下曲度不同,造成的升力;風箏在飄的時候,或許因受風造成弧面構型,間接地產生了白努利原理升力。
但風箏會飛,最主要的動力來源是風造成的「揚力」,也就是在空氣動力學中常用的「庫塔升力定律」(Kutta–Joukowski theorem)。
風箏飛起來的主要動力是風造成的「揚力」。圖片來源:新竹市國際風箏節官網
風箏下表面受風產生高壓,使氣流遲滯流動較慢;風箏上表面因為有迎風攻角(風箏與風流動的夾角)的產生,造成由上而下的下洗氣流,使風箏上表面壓力急速降低。風越大,壓力越低,上下壓差突升產生了瞬間的巨大揚力,使得女孩被捲起。
計算公式為:升力=空氣密度╳風箏面積╳風速╳旋流強度
其中,漩流強度與風箏的飛行迎風攻角有關。
因此,從電視新聞影片中可以看到,風箏最主要的揚力來源是紅色鼓包狀的風箏主體,後方的長飄帶助長了揚升現象。
此外,現今有一些手機應用軟體(APP)可協助判斷當下風力條件,如UAV Forecast。
手機應用軟體UAV Forecast可判斷當下風力條件。圖片來源:UAV Forecast
這些軟體雖較常被用於判斷,風力條件是否適合無人機飛行,但也可用於判斷是否適合放風箏。若平均風速達每秒10公尺,或瞬間風速達每秒15公尺,就有被揚力拉走的風險,不宜放風箏。(延伸閱讀|無人機只能做燈光秀?保護鯨魚、打擊盜獵也靠它!)
台灣大學機械系助理教授 蔡協澄
風箏能否拉動物體上天,主要是看「升力」;因此,用飛行力學分析升力,更優於「白努利原理」。
升力主要受風箏的環流量、動壓、下洗(downwash)效應影響,而環流量跟攻角有關;美國太空總署(NASA)網站,亦有風箏升力的簡單公式可以套用。
NASA網站上有計算風箏升力的簡單公式可以套用。圖片來源:NASA
現有報導中的分析,多只使用「動壓」的概念;僅用此去計算,可能會因為沒有計入升力係數而有誤差。
另外,風箏的尾巴因風而甩動的現象叫飄揚(fluttering),是柔軟物體與風場交互作用的結果。這個分析又更複雜了,目前並無簡單的分析可用。
但甩動的力與甩動的幅度,也與動壓和尾巴長度正相關。
影片中看起來,風箏尾巴很長;且瞬間風速太高,動壓突增,甩動幅度和力道也大增,剛好捲到小朋友、進而被風箏升力帶離地面。在空中,女童也因飄揚和自身體重而在空中被上下甩動,沒在空中脫離風箏尾巴墜落,實是上天保佑。
當瞬間風速太高使得長尾風箏甩動幅度和力道大增,則可能發生風箏將人帶離地面的意外。圖片來源:新竹市國際風箏節粉專
風箏活動有很長的歷史,相信已有相關安全規範——這次事件引發的關注重點,是施放風箏時、尾巴釋放的管控。
或許可進一步討論,在何種風速下、能允許施放的風箏尾巴長度為何;或是施放風箏時,應規畫一定的淨空區域,以避免同樣的事故。(延伸閱讀|「只是抱怨,能改變什麼?」林智堅為什麼花6年、得罪人,也要做這件事改造新竹?)
(原文刊載於新興科技媒體中心)