随风旋转遮挡斜雨的头盔形烟囱盖

谢镜宇

我国很多家庭的烟囱盖是固定的，有帐篷形的，有屋顶盖形的，等等，当有斜风斜雨时一般不能把雨水很好地挡住，或只能挡住某一个方向上的斜雨，致使雨水顺着烟囱往下流，渗透到墙上甚至流到火炉里。

于是，我就想到用一个结构简单的“随风旋转遮挡斜雨的头盔形烟囱盖”来解决这个问题。

一、研究制作过程

1.定下课题，思考解决方案。

（1）将烟囱盖做得宽一些，而且更靠近烟囱口。安装一个雨雪感应器，和一个特定控制驱动装置。

（2）以冒出的烟作为输入信号或动力，控制或驱动烟囱盖转动。

（3）以风作为输入信号或动力，应用“风向标”和“低气压”效应，控制或驱动烟囱盖转动。

（4）将烟囱盖进行切割分离，使其可以活动，防御雨雪。

最后定下最佳方案——随风旋转遮挡斜雨的头盔形烟囱盖。

2.开始制作。一直想按设计图制作一个流线型烟囱盖，但是经多次努力，都没有注模成型的条件。最后，只好决定用摩托车头盔进行改进，做出一个演示模型。

3.开始用摩托车头盔制作模型，同时思考这一设计的其他用途，于是还制作了一个公园中的座椅风雨棚。

4.样品制成。这种能依据风向自动调节方向的烟囱盖可以遮挡任意方向的斜风斜雨。随风旋转遮挡斜雨的头盔形烟囱盖（模型）包括木制底座，底座上安装烟囱模型。烟囱盖设有流线型棚盖，棚盖中心线上开有一个小孔，孔中嵌入滚珠轴承。轴承套在支撑柱上，调整好重心，使烟囱盖可以很灵活地转动。烟囱盖背风端设有“风向舌”，它的作用是利用风力来调节烟囱盖的朝向，使挡风面总是迎风，开口面总是背风。

二、科学原理

“随风旋转遮挡斜雨的头盔形烟囱盖”做成一个可以活动的不对称的“头盔”——流线型烟囱盖，有一个受风影响的“尾巴”——风向舌，起到风向标的作用，使开口总是背向风雪，“头盔”的轴承安装在雨棚的内部。整个装置将风“变害为利”，风越强，头盔就越稳定地保持在最需要的方向上。

由于头盔形烟囱盖是流线型设计，立在风中的头盔形烟囱盖受到的空气作用力由迎面压力、摩擦力、涡流推力三个部分组成。正面所受到的空气压力就是迎面压力，它的方向与风向相同。空气流过头盔形烟囱盖时，由于空气的内摩擦黏滞性，烟囱盖表面吸附着一部分空气，同时在空气层间产生一种力，速度快的一层使其邻接的较慢的一层加速。这样空气便对烟囱盖有一个与风向相同的摩擦力。

由于通过烟囱盖前部近球体表面的流线较后部密，因此后部的压力大于前部。这样从前部到后部气流逐渐减速，甚至气流的速度反向，而前部的流速方向仍未变。这种方向相反的逆流互撞结果，产生一种涡流。这些涡流激起边界层的全部气流与烟囱盖相分离。在烟囱盖的后部表面形成稀疏的空间，并充满涡流，后部表面各点压力减小，因而沿烟囱盖上表面各点压力的合力方向必定会向后有力的作用，就是与风向相同的涡流推力。

三、进一步改进的设想

可以在烟囱盖下面制作一个伞架状的固定架，使烟囱盖更稳固。根据这种烟囱盖设计原理设计的风雨棚，可以安装在公园里，为公园里的座椅遮风挡雨；也可以安装在婴儿车上，下雨天可以更贴心地保护婴儿车里的宝宝。

（编辑 孙世奇）