孔明灯
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孔明灯的结构可分为主体与支架2部份,主体大都以竹篦编成,次用棉纸或纸糊成灯罩,底部的支架则以竹削成的篦组成。孔明灯可大可小,可圆形也可长方形。一般的孔明灯是用竹片架成圆桶形,外面以薄白纸密密包围而开口朝下。欲点灯升空时,在底部的支架中间绑上一块沾有煤油或花生油的粗布或金纸,放飞前将油点燃,灯内的火燃烧一阵后产生热空气,孔明灯便膨胀,放手后整个灯会冉冉飞升空,如果天气不错,底部的煤油烧完后孔明灯会自动下降。
升空原理
其原理与热汽球升空一样,就是利用热空气的浮力使其上升,可以用阿基米得原理来解释:当两个物体体积相同时,质量较小的那一方就会浮在质量较大的那一方上,再简单一点,就是密度较小的物体会浮在密度较大的物体上。当孔明灯里的空气受热时,体积就会膨胀,但却只有一定限度的空间(灯的容积),因此,多余的空气分子便会跑出天灯外(如右图),质量便减少,又密度=质量/体积,体积不变,质量减小,灯里的空气密度便跟著变小也就因此浮起。
起飞条件
孔明灯“会飞”原因是:燃料燃烧使周围空气温度升高,密度减小上升,从而排出孔明灯中原有空气,使自身重力变小,空气对它的浮力把它托了起来。
由浮沉条件可知,只有满足:
F浮>G总=G热空气+G灯
即:G灯<F浮-G热空气时它才能上升,由此可知它的自重(包括外壶燃料的重力)要很轻才能起飞。
G灯<F浮-G热空气=ρ空气gV排-ρ热空气gV,
G灯<(ρ空气-ρ热空气)gV排,
m灯<(ρ空气-ρ热空气)V排, (1)
空气的密度可由理想气体状态方程得出。
把(2)式代入(1)式可得,其能否起飞由灯质量和气温、热空气温度和孔明灯容积共同决定。
具体数据估算如下:
设当天气温:T空气=300K(27℃);大气压强:1标准大气压,p=1.01325×105Pa;
孔明灯容积:V容=V排=0.2m×0.25m×0.4m=2×10-2m3;
加热后的空气温度:T热空气=500K(227℃);
ρ空气=0.029kg/mol.代入(3)式得:
在上述条件下孔明灯总质量在9.44g时,当热空气温度升到227℃时上升。
假设在上述条件下把孔明灯质量减轻成m灯=4g=4×10-3kg,由(3)式变形并代入数据得:
即热空气温度只要升高到88℃,孔明灯即可上升。
仍按上述条件,若孔明灯质量即m灯≥23.56g,则无论热空气温度升到多高也飞不起来。
由上面分析可知孔明灯要起飞,它的质量不能超过一定值,而且质量越小所需热空气温度越低,也就越容易起飞。
海南
孔明灯在海南又称文灯、天灯,是由大陆流传到海南的,逐渐演变成为当地的一种很有特色的民间风俗。每逢喜庆日子或盛大的节日,人们都点起文灯来表达他们的美好心愿。点燃文灯前人们都要在灯上写出自己的愿望,与天灯一起冉冉升向苍穹,以祈求心愿能实现。
在文昌、万宁、儋州一带的村庄里,由于
放飞孔明灯不当可能会引起山火、引发飞机失事、交通意外等。孔明灯外焰温度可达300℃,一般纸张可燃温度是130℃,普通木材在250℃~300℃,孔明灯存在严重的火灾隐患。由于风速等不可控制因素的影响,孔明灯如果掉到山林中,可能引发森林火灾;掉到液化气站、加油站等火情严管地带,极有可能引发重大事故;除存在火灾隐患,孔明灯飞行在半空中还有可能挂到高压线上,极有可能导致电线短路。
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