隨風旋轉遮擋斜雨的頭盔形煙囪蓋

謝鏡宇

我國很多家庭的煙囪蓋是固定的，有帳篷形的，有屋頂蓋形的，等等，當有斜風斜雨時一般不能把雨水很好地擋住，或只能擋住某一個方向上的斜雨，致使雨水順著煙囪往下流，滲透到墻上甚至流到火爐里。

于是，我就想到用一個結構簡單的“隨風旋轉遮擋斜雨的頭盔形煙囪蓋”來解決這個問題。

一、研究制作過程

1.定下課題，思考解決方案。

（1）將煙囪蓋做得寬一些，而且更靠近煙囪口。安裝一個雨雪感應器，和一個特定控制驅動裝置。

（2）以冒出的煙作為輸入信號或動力，控制或驅動煙囪蓋轉動。

（3）以風作為輸入信號或動力，應用“風向標”和“低氣壓”效應，控制或驅動煙囪蓋轉動。

（4）將煙囪蓋進行切割分離，使其可以活動，防御雨雪。

最后定下最佳方案——隨風旋轉遮擋斜雨的頭盔形煙囪蓋。

2.開始制作。一直想按設計圖制作一個流線型煙囪蓋，但是經(jīng)多次努力，都沒有注模成型的條件。最后，只好決定用摩托車頭盔進行改進，做出一個演示模型。

3.開始用摩托車頭盔制作模型，同時思考這一設計的其他用途，于是還制作了一個公園中的座椅風雨棚。

4.樣品制成。這種能依據(jù)風向自動調節(jié)方向的煙囪蓋可以遮擋任意方向的斜風斜雨。隨風旋轉遮擋斜雨的頭盔形煙囪蓋（模型）包括木制底座，底座上安裝煙囪模型。煙囪蓋設有流線型棚蓋，棚蓋中心線上開有一個小孔，孔中嵌入滾珠軸承。軸承套在支撐柱上，調整好重心，使煙囪蓋可以很靈活地轉動。煙囪蓋背風端設有“風向舌”，它的作用是利用風力來調節(jié)煙囪蓋的朝向，使擋風面總是迎風，開口面總是背風。

二、科學原理

“隨風旋轉遮擋斜雨的頭盔形煙囪蓋”做成一個可以活動的不對稱的“頭盔”——流線型煙囪蓋，有一個受風影響的“尾巴”——風向舌，起到風向標的作用，使開口總是背向風雪，“頭盔”的軸承安裝在雨棚的內部。整個裝置將風“變害為利”，風越強，頭盔就越穩(wěn)定地保持在最需要的方向上。

由于頭盔形煙囪蓋是流線型設計，立在風中的頭盔形煙囪蓋受到的空氣作用力由迎面壓力、摩擦力、渦流推力三個部分組成。正面所受到的空氣壓力就是迎面壓力，它的方向與風向相同?？諝饬鬟^頭盔形煙囪蓋時，由于空氣的內摩擦黏滯性，煙囪蓋表面吸附著一部分空氣，同時在空氣層間產(chǎn)生一種力，速度快的一層使其鄰接的較慢的一層加速。這樣空氣便對煙囪蓋有一個與風向相同的摩擦力。

由于通過煙囪蓋前部近球體表面的流線較后部密，因此后部的壓力大于前部。這樣從前部到后部氣流逐漸減速，甚至氣流的速度反向，而前部的流速方向仍未變。這種方向相反的逆流互撞結果，產(chǎn)生一種渦流。這些渦流激起邊界層的全部氣流與煙囪蓋相分離。在煙囪蓋的后部表面形成稀疏的空間，并充滿渦流，后部表面各點壓力減小，因而沿煙囪蓋上表面各點壓力的合力方向必定會向后有力的作用，就是與風向相同的渦流推力。

三、進一步改進的設想

可以在煙囪蓋下面制作一個傘架狀的固定架，使煙囪蓋更穩(wěn)固。根據(jù)這種煙囪蓋設計原理設計的風雨棚，可以安裝在公園里，為公園里的座椅遮風擋雨；也可以安裝在嬰兒車上，下雨天可以更貼心地保護嬰兒車里的寶寶。

（編輯 孫世奇）