電子孔明燈

曾圓秋 鄧艷輝 吉榮斌 朱雅琴

【摘 要】傳統孔明燈作為一種傳統文化在一定的節日進行燃放，雖然是一種傳統文化的繼承表現，但是它也會給環境帶來不同程度的污染，甚至是一定程度上的災害。本文針對于傳統孔明燈是否可進行改良的方面來進一步了解傳統孔明燈的制作原理及電子孔明燈的設計思路，并提出電子孔明燈的優點。

【關鍵詞】電子孔明燈；原理；優點

一、引言

隨著改革開放的深入發展，我國人民生活水平的不斷提高，人們的消費觀念和方式發生了很大變化，人們的消費水平逐年提高，人們對文化娛樂生活方面的需求越來越大，而傳統的文化節日以及娛樂項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，在中國的許多地區都有這個節日習俗。但是目前市場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，燈體內充滿熱空氣，孔明燈便會升空，其外焰溫度可達300℃，存在嚴重的火災隱患，雖然孔明燈升空燃燒一段時間后，內部的火焰會自然熄滅，但在升空時極易受到風的影響，導致搖擺引燃紙罩，容易引發火災事故，因此，從2009年開始，國內多個城市就明令禁止燃放孔明燈。

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

基于以上背景，我們提出了電子孔明燈的設計。

二、原理分析及其制作過程

（一）傳統孔明燈

利用熱空氣的浮力使孔明燈升空，用阿基米德原理解釋，當物體和空氣同體積而重量比空氣小的時候就會飛起，這和水的浮力道理是相同的。把球內的空氣加熱，球內一部分空氣會因為空氣受熱膨脹而從球體流出使內部空氣密度比外部空氣小，所以充滿熱空氣之后，孔明燈就會飛起來。

● 1：理想氣體狀態方程式（克拉伯龍方程）

pV=（mRT/M）=nRT

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

● 2：密度計算公式

ρ=m/V

推導得出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為當地重力加速度，單位m/s2。V為體積，單位m3。

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

孔明燈就會上升。

● 4：空氣阻力公式

F阻=1/2CρsV2

C為空氣阻力系數，也稱風阻系數，ρ為空氣密度，S物體迎風面積，V為物體與空氣的相對運動速度。

綜上所述，當孔明燈內的溫度逐漸升高時，其體內的空氣密度越來越小，所以浮力會越來越大，當其大于燈體本身以及體內空氣總重力時，孔明燈會上升。上升過程中存在阻力，由阻力公式可知當速度達到一定程度時，孔明燈會勻速上升，或其他請況（取決于當時的天氣請況。）

（二）電子孔明燈的設計思路

思路一：利用氦氣代替熱空氣來使孔明燈飛起來。

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提供燈體1.1114g的重量所需的浮力。當體積越大時，浮力越大，升力也就越大，我們估計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。

思路二，利用螺旋槳使孔明燈飛起來。

所需的材料有，電池，LED小燈泡，閉封的燈體，導線。

● 5：螺旋槳升力公式

升力=槳直徑ⅹ螺距ⅹ槳寬度ⅹ轉速ⅹ大氣壓（標壓）ⅹ經驗系數（0.25）

因為此種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，當它起飛上升時，所克服的空氣阻力由◎4可知，會越來越大，隨之功率會增加，電池的耗電量上升，而電池的容量有限，所以估計它不會在空中停留太長時間。所以我們認為此種方案可行度幾乎為零，故將其放棄。

三、電子孔明燈的優勢

（一）可行性分析

目前，市場上的孔明燈利用燃燒產生的熱空氣造成內外壓強差原理升空，而電子孔明燈利用氦氣球的原理制作過程及螺旋槳孔明燈制作過程進行創新改造，取代明火。

（二）安全性問題

傳統孔明燈外焰溫度可達300℃，存在嚴重的火災隱患，雖然孔明燈升空燃燒一段時間后，內部的火焰會自然熄滅，但在升空時極易受到風的影響，導致搖擺引燃紙罩，容易引發火災事故，電子孔明燈無疑是解決這一問題的良策，它的創新之處在于采用電子發光裝置取代傳統的明火，避免了引發火災，影響重要設施的安全。既可以滿足人們放孔明燈許心愿這一傳統文化娛樂方式的熱愛，又可以有效的避免孔明燈的火災隱患。

四、電子孔明燈銷售的市場預測

電子孔明燈自身具有制作成本費用較高和制作過程較難的特點。一方面，對于孔明燈的出口商來說，倘若制作新型電子孔明燈，則需要購買其所需相關材料，但是由于電子孔明燈所需要的材料成本比較高，所以導致最終制作出來的孔明燈總體單價上升，那么較多的孔明燈銷售商則不會購進或者購進極少量的貨物。同時，這也會導致孔明燈的出口商出現孔明燈存貨量增加的現象，進一步地影響壞賬的逐漸增加和產生不必要的積壓貨物成本。對于銷售孔明燈的商家來說，由公式“營業利潤=營業收入-營業成本”可知，倘若銷售商進購的孔明燈制作材料成本高，則商家售賣的單價也會隨之上漲，如果大部分購買者都承受不了價格較為高一點的電子孔明燈而選擇不購買這一商品，那么極易導致孔明燈銷售商的收入減少，甚至會出現銷售停滯或減少的情況，則又會進一步影響銷售商的利潤。

基于以上對相關現象進行分析的情況表明新型電子孔明燈的銷售市場并不是十分理想，仍然存在許多不可避免的風險。

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