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春风和气,阳光明媚,正是放风筝的好时节。
你有没有好奇过,如果风筝的线足够长,它究竟能飞到多高呢?一起来看看答@空僧 和来自知乎「发现·AI 搜索」的回答。
如果风筝的线足够长,它究竟能飞到多高的天空呢?

|答主:太空僧
这个问题有点意思。
我们平时公园里买的风筝,鱼线长也就 200~300 米,专业一点的,我去某宝搜了一下,可以做到 1000 米。
不过仔细搜的话有卖 2000 米鱼线的。我又花了一分钟在万能的知乎上找了一下,有知友花了 2 个多小时放了 2 公里的线,看上去是这样的:

这收线也得半个小时……看那老手给磨的。
要知道,风筝是斜着放的,所以线的长度要乘上一个三角函数,估计 2000 米的线,先粗估估 60 度夹角(还没考虑到弧度,后面再算),也就能放个大约 1400 米的高度。

世界记录

目前放风筝的最高纪录,是 4,879.54 米,用车载 GPS 测的,由澳大利亚人罗伯特·摩尔于 2014 年 9 月 23 日在土澳新南威尔士州科巴尔达成的。
为了放这个 12 平方米的风筝,他用了十年,试了8回,还特地找了一块放绵羊的地方,占地 30 万亩,也不算大,就相当于 8 个澳门那么大的地方。
他放出的风筝线,有 1.1 万米,也就是放飞海拔的一倍。前后花了 8 个小时。

理论极限之受力分析

风筝是公元前 5 世纪我们老祖宗发明的,发明者已不可考,后来就套在了墨子或鲁班的头上。那时候还是用竹子和丝绸做的。后来流传到印度、新西兰,后来据传是马可波罗在 13 世纪把风筝的故事带到了欧洲,然后 18 世纪富兰克林又拿去玩雷了。好,背景介绍完了。
开始切题了,理论上风筝能飞多高呢?
前提是不算那些充气的,也不算孔明灯或无人机那种加 buff 的,而且要栓着的不能是带翅膀的滑翔机和滑翔伞,就是普通的靠逆风局吹起来的风筝,要能停在空中基本不动的那种。
当风筝飞得越高时,重力的变化可以忽略不计,那就变的就是风速和绳子的重量。
风筝能飞起来,主要是因为它的倾斜角度,让风吹上去给到一个升力,同时重力与拉力给它一个相反的拉力,平衡了就能停在半空。如果升力不足,就下来了;如果拉力不足,就像脱了线一样飞走了。
绳子是斜着的,还会受到风吹的破坏力,因此问题变得更复杂了。我们先不管。
假设风筝线与水平面的夹角为 α,且风筝面与线几乎垂直(先这样设吧),那么风筝在水平方向上受到的阻力就可以表示为
根据流体力学,风筝在空气中受到阻力为
其中 A 为面积,CD 是阻力系数,ρ 是空气密度,V 是速度。
而在垂直方向上,升力与重力和拉力的垂直分量相等,设风筝的质量为M,则有

L/D就是升阻比。
然后一通代入,三角函数稀里哗啦咔嚓一通算啊(我知道 你们也不想看),得出了
在中国,一般从地面到 5 公里的高度,风速变化不大,主要受天气的影响,过了 5 公里,风速会随高度不断递增,在一万米左右达到几十米每秒的速度。
如果是 1 万米以下的高空,大气密度先按 0.5 算吧,风筝按 9.8 平方米算,质量我也不知道,按 2kg 来吧,风速先按 20 米/秒来算,风阻系数先按 1.3 来吧,L/D 先按 3 来吧,(真是太粗糙了,就看个数量级吧)代入具体数据,可得

算下来大约为 70 度。理论上飞个 1 万米没问题。
等等,不要忘了线是有弧度的,这么算太太太粗糙了,这要是给运油十算奶歼十的方程,肯定得给 0 分。角度也没那么理想,这肯定要上积分来算悬链方程。这就可以开门课,叫《航空拖拽的解析解》
悬链线
好了,一顿乱算猛如虎,解析只考二十五,我已经不想算了。
扔笔.gif

理论极限之鱼线

就当我要放弃的时候,突然想到,这不还有一个限制条件呢嘛:鱼线。
我们知道,风筝的拉力来自于绳子的自重和手的拉力,手上的力可以调节,鱼线却随着升高而变得越来越重,所以为了让风筝不掉下来,就得让绳子足够轻。
但绳子太细了又容易断,所以要知道断裂时绳子的重量,也就是最小断裂载荷,我找到了一个数据:
如果选直径最细的绳,每 100 米是 2.7 公斤,最小断裂载荷 F 为 2850 牛。
那么设绳子长 L,先粗糙地假设绳子是直线的,且是垂直的(事实上并不是)。那么有
求得 L 大约长 1 万米,和那个十年放风筝的老哥差不多嘛。
那么绳子越来越粗,这个值会不会越来越长呢?
如果是 10mm 粗的线,算得 L 为 1.1 万米。
如果是 20mm 粗的线,算得 L 为 1.1 万米。
如果是 40mm 粗的线,算得 L 为 1 万米。
也就是说,这种材料下,考虑到悬链的倾斜角度和风吹绳子给到的额外拉子,绳子的极限长估计也就 1.1 万米左右。怪不得世界记录就是这么高了,受绳子影响。
所以地球上放风筝的极限高度,主要受绳子的材料影响,现在的材料最高也就达到高度 5000 米左右吧。
好了,终于能强行给问题的答案给拗回来了一部分,没交白卷。这道题能给我点过程分儿不?

注意

放风筝要远离机场,远离高压线,远离公路和摩托车自行车,而且远离乌云。
不同国家对于风筝的放飞高度都有要求,中国的我只查到机场附近的要求不能超 300~400 米,如果不报备 FAA、CAA、CASA 之类的,那么英国是 60 米,在美国是 46 米,澳大利亚是 122 米。
当年小学课本里看到富兰克林的故事,只知道他收集到了电,但课本里没说,在他收集成功前,已经电死了好几只火鸡了。

基于答主@太空僧 的专业测算和其他答主的分析讨论,知乎「发现·AI 搜索」帮大家整理了一份关于风筝飞行距离的清晰思路框架,让大家可以用更简单的方式,轻松高效地获取专业知识,还能追问更多相关问题哟~
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  |发现·AI 搜索
根据知乎社区讨论内容,风筝能飞到的最高距离受多种因素影响,包括线的长度、风力条件、风筝的设计等。以下是一些关键点:

1. 理论上的最高飞行高度:
理论上,只要有足够的风力和长线,风筝可以飞到对流层,大约 0-11 公里的高度。但实际操作中,这样的飞行高度极为罕见且具有挑战性。


2. 实际记录:
根据吉尼斯官网,单个风筝达到的最高高度为 4,879.54 米(16,009 英尺),由罗伯特 · 摩尔(澳大利亚)于 2014 年 9 月 23 日在澳大利亚新南威尔士州科巴尔创下。

这项纪录是在澳大利亚新南威尔士州西部偏远地区的 Cable Downs 尝试的,那里是一个占地 50,000 英亩的羊场。


3. 技术和安全限制:
尽管理论上风筝可以飞得更高,但实际上由于高空中的风速快、风力变化大,以及风筝容易散架和断线的风险,使得实际飞行高度受到限制。


4. 观赏性与实用性的平衡:
普通风筝大约到 200-500 米的高度就有很大的观赏性,而超过这个高度,风筝的观赏性会大大降低,同时也增加了操作的难度和风险。

题图来源:《追风筝的人》
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