電子孔明燈

曾圓秋 鄧艷輝 吉榮斌 朱雅琴

【摘 要】傳統(tǒng)孔明燈作為一種傳統(tǒng)文化在一定的節(jié)日進(jìn)行燃放，雖然是一種傳統(tǒng)文化的繼承表現(xiàn)，但是它也會(huì)給環(huán)境帶來(lái)不同程度的污染，甚至是一定程度上的災(zāi)害。本文針對(duì)于傳統(tǒng)孔明燈是否可進(jìn)行改良的方面來(lái)進(jìn)一步了解傳統(tǒng)孔明燈的制作原理及電子孔明燈的設(shè)計(jì)思路，并提出電子孔明燈的優(yōu)點(diǎn)。

【關(guān)鍵詞】電子孔明燈；原理；優(yōu)點(diǎn)

一、引言

隨著改革開(kāi)放的深入發(fā)展，我國(guó)人民生活水平的不斷提高，人們的消費(fèi)觀念和方式發(fā)生了很大變化，人們的消費(fèi)水平逐年提高，人們對(duì)文化娛樂(lè)生活方面的需求越來(lái)越大，而傳統(tǒng)的文化節(jié)日以及娛樂(lè)項(xiàng)目成為了人們文化生活的重要組成部分。放孔明燈是一種漢族民俗文化，在中國(guó)的許多地區(qū)都有這個(gè)節(jié)日習(xí)俗。但是目前市場(chǎng)上的孔明燈一般用一張薄薄的紙張封閉，底部用鐵絲固定一塊蠟塊，燃燒后，燈體內(nèi)充滿熱空氣，孔明燈便會(huì)升空，其外焰溫度可達(dá)300℃，存在嚴(yán)重的火災(zāi)隱患，雖然孔明燈升空燃燒一段時(shí)間后，內(nèi)部的火焰會(huì)自然熄滅，但在升空時(shí)極易受到風(fēng)的影響，導(dǎo)致?lián)u擺引燃紙罩，容易引發(fā)火災(zāi)事故，因此，從2009年開(kāi)始，國(guó)內(nèi)多個(gè)城市就明令禁止燃放孔明燈。

冬春用火不慎引發(fā)火災(zāi)的比例高于夏秋，玩火（主要為燃放煙花，放孔明燈）引發(fā)的火災(zāi)多集中于春節(jié)所在的2月份。

基于以上背景，我們提出了電子孔明燈的設(shè)計(jì)。

二、原理分析及其制作過(guò)程

（一）傳統(tǒng)孔明燈

利用熱空氣的浮力使孔明燈升空，用阿基米德原理解釋，當(dāng)物體和空氣同體積而重量比空氣小的時(shí)候就會(huì)飛起，這和水的浮力道理是相同的。把球內(nèi)的空氣加熱，球內(nèi)一部分空氣會(huì)因?yàn)榭諝馐軣崤蛎浂鴱那蝮w流出使內(nèi)部空氣密度比外部空氣小，所以充滿熱空氣之后，孔明燈就會(huì)飛起來(lái)。

● 1：理想氣體狀態(tài)方程式（克拉伯龍方程）

pV=（mRT/M）=nRT

p為氣體壓強(qiáng)，單位Pa。V為氣體體積，單位m3。n為氣體的物質(zhì)的量，單位為mol。T為體系溫度，單位K。R是氣體常量（比例常數(shù)）單位是J/（mol·K）

● 2：密度計(jì)算公式

ρ=m/V

推導(dǎo)得出ρ=p/RT，所以氣體的溫度越高它的密度越小。

● 3：浮力公式

F浮=ρgV

ρ為原有氣體密度，單位kg/m3。g為當(dāng)?shù)刂亓铀俣龋瑔挝籱/s2。V為體積，單位m3。

當(dāng)F浮-G球體-G空氣=ma>0時(shí)，即（ρ空氣-ρ熱空氣）Vg-mg=ma>0

孔明燈就會(huì)上升。

● 4：空氣阻力公式

F阻=1/2CρsV2

C為空氣阻力系數(shù)，也稱風(fēng)阻系數(shù)，ρ為空氣密度，S物體迎風(fēng)面積，V為物體與空氣的相對(duì)運(yùn)動(dòng)速度。

綜上所述，當(dāng)孔明燈內(nèi)的溫度逐漸升高時(shí)，其體內(nèi)的空氣密度越來(lái)越小，所以浮力會(huì)越來(lái)越大，當(dāng)其大于燈體本身以及體內(nèi)空氣總重力時(shí)，孔明燈會(huì)上升。上升過(guò)程中存在阻力，由阻力公式可知當(dāng)速度達(dá)到一定程度時(shí)，孔明燈會(huì)勻速上升，或其他請(qǐng)況（取決于當(dāng)時(shí)的天氣請(qǐng)況。）

（二）電子孔明燈的設(shè)計(jì)思路

思路一：利用氦氣代替熱空氣來(lái)使孔明燈飛起來(lái)。

ρ氦氣=0.1786g/Lρ空氣=1.29g/L

由上文中3可得（ρ空-ρ氦）Vg-mg=ma

（1.1114g/L）Vg-mg=ma

所以燈體每一升的體積會(huì)提供燈體1.1114g的重量所需的浮力。當(dāng)體積越大時(shí)，浮力越大，升力也就越大，我們估計(jì)我們所制作的燈體重量約為十克，那么就需要十升左右的氦氣才可飛起來(lái)。

思路二，利用螺旋槳使孔明燈飛起來(lái)。

所需的材料有，電池，LED小燈泡，閉封的燈體，導(dǎo)線。

● 5：螺旋槳升力公式

升力=槳直徑ⅹ螺距ⅹ槳寬度ⅹ轉(zhuǎn)速ⅹ大氣壓（標(biāo)壓）ⅹ經(jīng)驗(yàn)系數(shù)（0.25）

因?yàn)榇朔N燈體所用器件材料多，所以它的重量是很大的，所以它需要的螺旋槳的葉片面積很大，螺旋槳的功率要求很高，所投入的成本很大。再者，如若模型真能制作成功，當(dāng)它起飛上升時(shí)，所克服的空氣阻力由◎4可知，會(huì)越來(lái)越大，隨之功率會(huì)增加，電池的耗電量上升，而電池的容量有限，所以估計(jì)它不會(huì)在空中停留太長(zhǎng)時(shí)間。所以我們認(rèn)為此種方案可行度幾乎為零，故將其放棄。

三、電子孔明燈的優(yōu)勢(shì)

（一）可行性分析

目前，市場(chǎng)上的孔明燈利用燃燒產(chǎn)生的熱空氣造成內(nèi)外壓強(qiáng)差原理升空，而電子孔明燈利用氦氣球的原理制作過(guò)程及螺旋槳孔明燈制作過(guò)程進(jìn)行創(chuàng)新改造，取代明火。

（二）安全性問(wèn)題

傳統(tǒng)孔明燈外焰溫度可達(dá)300℃，存在嚴(yán)重的火災(zāi)隱患，雖然孔明燈升空燃燒一段時(shí)間后，內(nèi)部的火焰會(huì)自然熄滅，但在升空時(shí)極易受到風(fēng)的影響，導(dǎo)致?lián)u擺引燃紙罩，容易引發(fā)火災(zāi)事故，電子孔明燈無(wú)疑是解決這一問(wèn)題的良策，它的創(chuàng)新之處在于采用電子發(fā)光裝置取代傳統(tǒng)的明火，避免了引發(fā)火災(zāi)，影響重要設(shè)施的安全。既可以滿足人們放孔明燈許心愿這一傳統(tǒng)文化娛樂(lè)方式的熱愛(ài)，又可以有效的避免孔明燈的火災(zāi)隱患。

四、電子孔明燈銷(xiāo)售的市場(chǎng)預(yù)測(cè)

電子孔明燈自身具有制作成本費(fèi)用較高和制作過(guò)程較難的特點(diǎn)。一方面，對(duì)于孔明燈的出口商來(lái)說(shuō)，倘若制作新型電子孔明燈，則需要購(gòu)買(mǎi)其所需相關(guān)材料，但是由于電子孔明燈所需要的材料成本比較高，所以導(dǎo)致最終制作出來(lái)的孔明燈總體單價(jià)上升，那么較多的孔明燈銷(xiāo)售商則不會(huì)購(gòu)進(jìn)或者購(gòu)進(jìn)極少量的貨物。同時(shí)，這也會(huì)導(dǎo)致孔明燈的出口商出現(xiàn)孔明燈存貨量增加的現(xiàn)象，進(jìn)一步地影響壞賬的逐漸增加和產(chǎn)生不必要的積壓貨物成本。對(duì)于銷(xiāo)售孔明燈的商家來(lái)說(shuō)，由公式“營(yíng)業(yè)利潤(rùn)=營(yíng)業(yè)收入-營(yíng)業(yè)成本”可知，倘若銷(xiāo)售商進(jìn)購(gòu)的孔明燈制作材料成本高，則商家售賣(mài)的單價(jià)也會(huì)隨之上漲，如果大部分購(gòu)買(mǎi)者都承受不了價(jià)格較為高一點(diǎn)的電子孔明燈而選擇不購(gòu)買(mǎi)這一商品，那么極易導(dǎo)致孔明燈銷(xiāo)售商的收入減少，甚至?xí)霈F(xiàn)銷(xiāo)售停滯或減少的情況，則又會(huì)進(jìn)一步影響銷(xiāo)售商的利潤(rùn)。

基于以上對(duì)相關(guān)現(xiàn)象進(jìn)行分析的情況表明新型電子孔明燈的銷(xiāo)售市場(chǎng)并不是十分理想，仍然存在許多不可避免的風(fēng)險(xiǎn)。

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