趣味的風箏製作

構造原理　無玄奇

經驗技術　飛沖天

前言

本文介紹雙菱形、Musha型及各類型風箏（見圖一）的製作與飛放。台灣四季都適合放風箏，尤其在風和日麗，秋高氣爽時節，帶著自製的風箏，郊外散心放風箏，實有無窮的樂趣。

近來，風箏的製作已有革新，至少以業餘者的觀點，介紹新的製材與工具，更有助於製作經久耐用的風箏。然而，製作和飛放風箏是種需要高度經驗的活動。沒有簡單的方程式可預知風箏的起飛和飛行時的穩定性；氣體流過風箏的流體動力學也極複雜，無法簡化，不易了解；而且也無法將風箏視同飛機，以模型飛機實驗用的「風洞」來試驗飛行或穩定性。所以風箏只能靠自然風作試驗，也因此不管是購買來的或自己創作的風箏，只有「飛飛看」才知好壞。

飛行原理－簡單氣動學

自製的風箏若無法起飛或穩定控制，那可真沒意思！流動氣流有兩個特性影響風箏的上升。第一，與水平夾一角度飛行的風箏面受氣流衝擊及偏向，使得風箏上升。上升推力的大小與風速、受風截面積有關，推力愈大，風箏飛得愈高。但若偏向風力太強則風箏很難控制，甚至破裂。因此，風速愈大，風箏面與水平夾角應愈小愈好。有些風箏可自動調整角度；有的卻需調整風箏與控制線間的韁繩（bridle）。第二，風箏上升和傳統飛翼的上升相似。圍繞飛翼的氣流可分兩部分：環繞翼周的氣流及其他通過飛翼的氣流。真正的氣流（至少在簡單的模型上）是這兩種氣流合成的（見圖二），合成結果使翼上方的風速大於翼下方風速，又因壓力與速度成反比，所以翼下壓力大於翼上，因此，壓力差使得飛翼上升。雖然，簡單的模型無法很直接的說明，但風箏上升的道理是一樣的。

風箏不穩定的原因

風箏不穩定可分三種型態：左右滾動（roll）、倒栽掉落（pitch）和繞軸旋轉（yaw）（見圖三）。左右滾動是縱向轉動，倒栽掉落是橫側轉動，繞軸旋轉是繞著風箏面的垂直軸轉動。因此設計之初，即需考慮幾種特性來穩定風箏，包括韁繩適確、骨架平衡、尾巴、形狀、風箏兩旁的鰭（安定翼）及氣孔。風箏的骨架應保持平衡，重量左右對稱，否則，某邊較重會使風箏的飛行不規律。

基本設計

韁繩連接風箏與線。有時，學術上定義韁繩僅一條（就是風箏線）；不過通常是兩條或數條線繫在風箏上，據點打結，或者與風箏線的小環連接。韁繩儘可能地分散空氣的應力，提供穩定性，使人便於操縱。同時拉韁繩兼可抗衡作用在風箏上的兩力──風箏本身向下的重力及迎面使風箏上升的推力；此外，韁繩還可使風箏面與風向保持適當角度。一俟風箏升空後，發現受風面角度錯誤，唯有拉下風箏調整韁繩。故有些韁繩在較下方的線上附有彈簧或橡皮帶，每當風速增加時，由風力拉動彈簧或橡皮帶，可自動調整角度。

大部分平面型風箏都需要尾巴（舵）來維持橫向穩定性。尾巴不可太長或過短，長短只能由實驗決定。加尾巴後，反向拉風箏可防止橫向搖晃。尾巴可用布條、紙條、塑膠、杯子或幾個杯子組成集中風力的設計。杯子的用法，在十九世紀時，即有人首次運用所謂的「風筒」（drogues）來穩定風箏。杯子做成尖筒形，風通過狹窄的杯頸會被加速，於是通過的氣流流速較周圍的空氣流速快，可維持風筒方位。有些風箏兩邊用繐狀條，或在突出支柱上繫兩條尾巴，替代單一尾巴以維持縱向穩定。

風箏的外形和穩定性很有關係，有些風箏和風面夾有銳角（或鈍角），稱為「二面角」。艾迪型風箏是1897年由艾迪（W. A. Eddy）首次介紹出來的。是典型的非平面風箏，向後弓成一曲面，以彎曲抗拒陣風，維持穩定。當突發陣風吹風箏的某一邊而造成轉動時，另一邊跟著旋轉收受較大的風力（見圖四），防止風箏轉動得更厲害。弓形風箏抗拒陣風是如此的穩健，所以不需要尾巴。通常曲度視風速來調整。

另有些風箏維持穩定的設計，是應用面或背上的安定翼來抗拒陣風；另有一種則容許空氣流過氣孔，不加阻礙。這些氣孔有幾種作用──可消除風箏邊緣受風作用、旋轉及下降的現象。

飛行降落傘中央即有個洞；賽車或飛機降落時的減速拖曳傘也有頗多的通氣部分。若降落傘沒有氣孔，則傘相對的兩邊因受旋渦氣流的影響，會有不同且週期性的氣壓變化（旋渦氣流的壓力比傘周的壓力小），造成降落傘搖擺，使得傘端的負載物遭到損傷。

當氣流經氣孔排出時，可衝散旋渦減少搖擺，風箏上的氣孔也有相同的效果，而風箏上的氣孔可方可圓，亦可單孔或多孔，形成蜂巢結構的盒形風箏。

施放時的注意事項

施放風箏的地點須小心選取，受地形風向影響的迎風坡地最為理想（見圖五），背風地就差很多了，放山腳比山頂有利。被曬熱的廣場（如停車場），因有上升的熱氣流，使風箏易於起飛，而一旦上升，風箏受高空更強的風力飛得更高。

不要在視線不佳的人群中或車道上施放；在機場的「風巷」放風箏亦是違法的；不可用電線當風箏線；更不可在電化鐵路、高壓電線或有閃電的暴風雨中放風箏。（在此要澄清許多人的錯誤印象，那就是富蘭克林並不是在暴風雨中，而是暴風雨來臨前，放風箏完成實驗的，若非幸運，他已遭電擊而死。）雙手須戴手套以免被風箏割、灼傷，並注意勿讓風箏纏上電線桿或樹枝，以免浪費時間及發生意外。

風箏收放技術

施放風箏時，風箏面與垂直須維持約20°角，待陣風吹來才慢慢地放線，並拉緊使風箏保持上升。若風太小，可請朋友站在50公尺處提著風箏，而你拉緊線。當風吹來時，朋友往上放掉風箏，你一手接一手用力拉線，帶著風箏迎風緩緩升起。

若韁繩點太高，則風箏翻動無法上升，須降低韁繩點；若風箏連續翻圈子則須提高韁繩點。飛行中的風箏若突然不受風，會失掉升力而垂直掉落下來，這時風箏面受風的角度是負的，不過掉落一段距離後，會自動校正角度。

通常收風箏只要用捲線筒慢慢收回即可，但遇強風用捲線筒可能較難拉緊收線。不過可換個方式收線──先固定線端或找位朋友幫忙拉著，而你朝著風箏方向邊走邊拉下，等風箏降至近地面微風區時，就容易捲線了。依筆者經驗製作捲線器（見圖六），不論強弱風都可單人輕易收線，且安全無割傷之虞！

製作風箏首須決定風箏的兩個基本部分──骨架和鋪面的材料。傳統的骨架材料是用劈裂的竹圓桿，不但輕巧、便宜、強韌，而且易於彎曲；也有人使用松木條；最近則流行玻璃纖維和空心鋁桿，強度雖佳，但操作不易且價格昂貴（切割時須戴口罩，吸入玻璃粒子對人體有害），而且必須以較大的輕質塑膠管做接頭，除非很有製作經驗，否則還是用一般的圓木（竹）條。圓木條長100∼120公分，直徑則視風箏大小所需的強度而定，約0.5∼0.7公分。雖然也可使用其他木材，但以赤松木最佳，購買前須小心檢視紋理及是否筆直（與強度相關）。

鋪面的傳統材料是布或輕韌的紙（如棉紙）。布雖耐用唯需以線縫合較費事；紙片易破，卻具有用普通白膠或黏著劑即可黏合的優點。最近，薄層塑膠膜風行，具有強韌、便宜、質輕的優點，並且可直接以膠帶黏接。其他材料像Zephyrlite、Tyvek和Stabilkote等等，既可縫合又可用膠帶貼合，質輕，強度也夠，具有他種材料所有的優點，並且價格便宜，是非常理想的材料。不過像尼龍布、帆布、包裝紙、牛皮紙、P.E.塑膠袋等家中廢物，也可拿來利用，是相當合適又經濟的。

風箏線有棉線、尼龍線等。不過尼龍線韌且輕，每單位重量的強度比值高。風箏所能飛達的高度極限端視風箏線所能支持線重的極限而定，一般線的值（強度／重量）都夠防止斷線。又因風力減掉風箏與線的重量，等於風箏上升的淨力，所以風箏所能達到的高度就完全看風力的大小了。布魯米特（W. Brummitt）姆指定律指出：風箏線的理想強度極限（磅），至少應為風箏前截面積（平方英尺）的三倍。

至於捲線器，任何方便的線軸均可，甚至有人用釣竿上的捲線筒放風箏呢！

若以圓木桿為材料，可先用線綁緊後以膠黏合，靜待（一小時）乾固；或用熱膠（hot glue）接合，只需兩分鐘即乾固，對修補風箏及製作速度影響很大。皮膚接觸到熱膠，得浸入水中，免得被殘餘的熱膠燒傷。其他的一些工具，如小刀可用於切割暗〔見圖七（B）〕和V字形刻痕〔見圖七（C）〕，尖錐用於穿孔等，在製作過程中助益良多。

以往韁繩都是直接與風箏線連接。當風箏繞圈子旋轉時，為避免韁繩扭曲纏繞成一團，因此用拉克司頭結（Lark's-head）繫在塑膠圓環上，然後以釣魚用的轉環鉤與風箏線相連〔見圖七（D）〕。

風箏實例

下面介紹的風箏，乃基於不同的空氣動力學而設計的，並依實際尺寸縮小比例畫出來，提供有興趣的人參考。

一、平面菱形風箏

翼樑（水平桿）的中點垂直接於背骨1/4處〔見圖七（A）〕，骨架被切斷之處以刀子修平，交接處鑿成暗以熱膠黏著，幾分鐘後，再以尼龍線綁緊（或者也可先用熱膠再以膠帶黏貼）。須注意兩桿務必垂直。組合前先用鋼鋸的鋸條在桿端刻上窄的V字刻痕，繩線則沿著刻痕圍成菱形輪廓。以針插在翼樑背骨的交點處測驗平衡，以目視骨架是否靜止不動，若平衡太差則必須重新調整木桿及線。

將骨架置於舖面材料上，依外形剪裁，輪廓線邊要留些寬度，以便反摺將線內包住，增加鋪面的強度。若鋪面材料是紙或Tyvek，可用橡膠黏著劑黏貼尾舵和鰭；用布則需縫合或釘合；塑膠布Mylar則用膠帶黏貼。在背骨穿上一條分叉的韁繩，以布條做尾舵，長約背骨的五倍。

二、艾迪型風箏

這一型風箏不需要尾舵，而且翼樑向後彎成弓形〔見圖八（A）〕，除此之外，製作上大部分和菱形風箏相同。作法是線穿過翼樑一端拉緊，彎成弓形後綁於另一端，韁繩線穿過鋪面上的小洞附在骨架上。弓形產生的兩面角有助於風箏的穩定。此型適於輕中度風力飛放。

三、長崎型風箏

首先將互相垂直的翼樑和背骨繫牢，然後測試是否平衡。翼樑向下彎成弓形綁緊，黏上面布，再用布條或絲帶繫於翼樑兩端為鰭〔見圖八（B）〕，功用如同尾舵有助穩定。長崎型和艾迪型一樣，受到強風都會彎曲，視風力而定。

四、雙菱形風箏

這一型的風箏，除了主體下多了小菱形以外，大致與艾迪型風箏相似，兩個菱形都紮在同一根背骨上，也都向後彎曲〔見圖八（C）〕。小菱形的作用就如同方向舵，可穩定風箏，適於輕中度風力飛放。

五、Musha型風箏

長方形風箏是最普遍的了！Musha型即是長方形風箏〔見圖八（D）〕，製作簡易，氣動學特性也非常有趣：最低的翼樑底下部分有助於穩定風箏，而且效果比尾舵好。這類風箏適於輕微風力飛放。

（本文譯自Scientific American, Feb. 1978）

楊東發畢業於清華大學化學系。

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