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。這種能依據風向自動調節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。空氣流過頭盔形煙囪蓋時，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，使煙囪蓋更穩固。根據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）