議題背景

2020年8月30日下午,新竹市舉辦國際風箏節活動。後續因發生風箏將女童捲上天事件,引起社會關注與媒體報導。報導中提到,風箏是因為物理的向上運動作用力與當時瞬間風速過大,所以才能捲起女童,但也有其他報導,用白努利原理(Bernoulli’s Principle)公式計算得出風箏的拉力最大可捲起150公斤的物體。對此新興科技媒體中心,邀請專家解釋風箏將人向上捲起的物理機制。

專家怎麼說?

2020年8月31日
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,目前網路上所說的都有部分相關,其實並不完全是白努利原理的現象。

白努利原理用在飛行上,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。

但風箏會飛其實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:升力=空氣密度x風箏面積x風速x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,現今有一些手機軟體可以協助判斷當下風力條件,例如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,但也可用於判斷風力條件是否適合放風箏,若平均風速達每秒10公尺,或瞬間風速達每秒15公尺,就會有被揚力拉走的風險,不宜放風箏。

2020年9月1日
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。使用飛行力學分析升力更優於白努利原理。結論是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。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有點誤差。

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是與動壓和尾巴長度正相關;影片中看起來風箏尾巴蠻長的,且因瞬間風速太高,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。在空中小朋友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也是有點上天保佑。

風箏活動有很長的歷史,我相信已有相關的安全規範。主要需關注的是在施放風箏時,尾巴釋放的管控。或許可以進一步討論在何風速下,能允許施放的風箏尾巴的長度為何。或者是施放風箏時,應規畫一定的淨空區域以避免同樣的事故。

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曾雨涵

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