ว่าวกระดาษ

ว่าวกระดาษ

หลักการทางวิทยาศาสตร์

             "ว่าว" จัดเป็นอากาศยานประเภทหนักกว่าอากาศ เพราะลอยตัวอยู่ในอากาศในลักษณะคล้ายคลึงกับเครื่องบิน ว่าวนั้นลอยตัวอยู่ในอากาศได้โดยกระแสลมพัดผลักดันให้เกิดแรงยกที่ตัวว่าว ซึ่งทำมุมเงย (มุมปะทะ) ประมาณ 45 องศา สวนทางกับกระแสลม สายป่านที่ล่ามว่าวอยู่นั้น ดึงรั้งไม่ให้ตัวว่าวหลุดลอยไป และดึงตัวว่าวให้ลอยอยู่บนท้องฟ้าตลอดเวลาที่มีกระแสลมพัดมา ถ้าลมไม่แรงพอว่าวจะทรงตัวอยู่ในอากาศไม่ได้

องค์ประกอบของว่าวที่จะลอยอยู่ในอากาศได้คือ

1. กระแสลมที่เคลื่อนที่ไปในแนวขนานกับผิวโลกทางใดทางหนึ่ง อย่างสม่ำเสมอ

2. พื้นที่ให้กำลังยกหรือแรงยกได้แก่พื้นที่ของตัวว่าว

3. อุปกรณ์บังคับ ได้แก่ เชือกหรือด้ายรั้งว่าว และสายซุง ซึ่งทำหน้าที่ปรับมุมปะทะของอากาศกับพื้นที่ของตัวว่าว ทำให้เกิดแรงยกและแรงดัน

ดังนั้น การเล่นว่าวต้องอาศัยลม ลมเป็นปัจจัยที่เราไม่อาจควบคุมได้ บางวันลมแรง บางวันลมอ่อน เราจะควบคุมได้ก็เพียงตัวว่าวของเราเอง เมื่อว่าวปะทะลม จะมีแรงมาเกี่ยวข้องด้วย คือ แรงจากน้ำหนักของว่าว แรงฉุดไปตามทิศทางของลม และแรงยกในทิศทางตรงข้ามของน้ำหนัก ผลรวมของแรงทั้งสาม เกิดเป็นแรงลัพธ์ที่ทำให้ว่าวลอยขึ้นไปได้ และทิศทางของแรงลัพธ์นี้ จะอยู่ในแนวเดียวกับแนวเชือกว่าวที่ต่อออกจากคอซุงพอดี

ในขณะที่ว่าวเคลื่อนที่สวนทางลม และตัวว่าวทำมุมเงย ทำให้เกิดมุมปะทะกับพื้นที่ตัวว่าว ทำให้อากาศด้านบน (หลังว่าว) ไหลเร็วกว่าด้านล่างว่าว ความกดดันอากาศจึงลดลง ทำให้เกิดแรงยกขึ้น ในขณะเดียวกัน ลมด้านล่าง (ใต้ว่าว) เคลื่อนที่ช้ากว่า ทำให้เกิดความกดดันสูง จึงพยายามปรับตัวให้มีความดันเท่ากับด้านบน จึงดันว่าวให้ลอยขึ้นด้านบน

ว่าวจะขึ้นได้จะต้องมีแรงถ่วง (น้ำหนักของว่าว) น้อยกว่าแรงยก และแรงขับ (ลม) ต้องมีความเร็วมากพอที่จะชนะแรงต้าน ซึ่งมีทิศทางเดียวกับกระแสลม

แรงที่กระทำต่อว่าว

แรงที่กระทำต่อว่าวที่สำคัญมี  3  แรง คือ  แรงของน้ำหนัก  W  แรงลม  P  และแรงตึงของเชือก  T

น้ำหนัก  W  ของว่าวมีทิศทางลงล่าง  แรงลม  P  เป็นแนวตั้งฉากกับว่าว  (หากไม่คำนึงถึงแรงเสียดทานที่เกิดกับว่าวแรงที่กระทำต่อสิ่งกีดขวางจะมีทิศทางเป็นแนวตั้งฉากกับพื้นผิวของสิ่งกีดขวาง)  แรงตึงของเชือก  T  จะมีทิศทางไปตามแนวเชือก

จากความรู้เรื่องสมดุลของแรงสามแรงนั้น  เส้นเวกเตอร์ของแรงลม  P  และน้ำหนัก  W  เมื่อวาดเป็นรูปสี่เหลี่ยม  เส้นทแยงมุมของแรงลัพธ์  R  ที่ผ่านจุดที่แรงลัพธ์กระทำจะมีทิศทางตรงข้ามกับเวกเตอร์ของแรงตึงเชือก  T  แต่มีขนาดเท่ากัน  (นั่นคือ อยู่บนเส้นตรงเดียวกัน)

สำหรับการดูว่าว่าวตัวใดจะขึ้นหรือไม่ เราพอจะดูได้จากความหนาแน่นของว่าว เมื่อคิดเป็นน้ำหนักต่อพื้นที่ตามสูตร D = W/S เมื่อ D คือความหนาแน่นของว่าว W คือน้ำหนักของว่าวทั้งตัว รวมเชือกด้วย และ S เป็นพื้นที่ปะทะลม ซึ่งก็คือ พื้นที่กระดาษที่ปิดตัวว่าว

สมมติน้ำหนักของว่าวเท่ากับ 200 กรัม (0.2 กิโลกรัม) พื้นที่ปะทะลม 1 ตารางเมตร ว่าวตัวนี้จะมีความหนาแน่น 0.2 ถ้าความหนาแน่นของว่าวเป็น 1 จะเหมาะกับสภาพลมแรง 0.5 เหมาะกับลมปานกลาง และ 0.2 เหมาะกับลมอ่อน

x