【科展解析】防風雨傘

 

雨傘為了達到遮雨的目的，必需要有一定的遮蔽面積，可是當強風吹來時，這些遮蔽面積卻會產生強大的風壓，輕則損毀雨傘，重則讓人站立不穩，因而產生意外 如果能透過一些簡單而又低成本的方法增加雨傘的抗風能力，那麼它的應用價值還是值得研究的。

 

【X博士摘要說明】

1. 傳統雨傘結構與使用模式之研究。


2. 氣動面的設計與實驗。


3. 防風雨傘的設計與製作。

 

第 54 屆 國中生活與應用科學科作品

題目：防風雨傘

作者：臺北市私立復興實驗高級中學的同學們 

 

【摘要(原文)】

在強風中使用雨傘，很容易因風壓造成雨傘翻覆損毀，本創作之目的為研發一種新型的雨傘來改善這個問題，我們在雨傘上裝一些導流板形成氣動面，讓風壓的作用力有其他方向的分向量，藉以降低損毀雨傘的作用力，另外雨傘旋轉所產生的角動量，會形成陀螺效應，使雨傘具有水平穩定的慣性，讓傘面不易翻轉，我們也製作了新型的雨傘的樣品與傳統雨傘相比較，大約可提升 28％的抗風能力，可使雨傘在風中更穩定也更安全。 

【X博士步驟說明】

●傳統雨傘結構與使用模式之研究 

 

第 1 類使用方式：當風吹向雨傘時，受外側傘面曲率的影響往上、下偏折， 故抗風性最佳，但因雨傘前傾會遮蔽使用人的視線，故最少被採用。

第 2 類使用方式：當風吹向雨傘時，有部分的風會吹向使用人再向上偏折，形成讓雨傘翻覆並損毀的作用力，故抗風性較差，並且雨傘也會部分遮蔽使用人的視線，因此較少被採用。

第 3 類使用方式：雨傘完全不會遮蔽使用人的視線，因此最多人採用，但是，當風吹向雨傘時，讓雨傘翻覆並損毀的作用力也最大，故抗風性最差。因此我們在以下的研究中，將以如何提升第 3 類雨傘使用方式的抗風性為主。

 

●用圓弧長條形扇葉測試傾斜角與風壓的關係

   

在 -60 度時，右側風壓略大於左側，此時模型應會以逆時針方向緩慢旋轉， 從 -40 度起，左側風壓開始大於右側，模型改為以順時針方向旋轉，最大的風壓差會出現在 20 ~40 度之間，因此，我們決定以傾斜角 30 度為基準來製作扇葉。

 

●防風雨傘的設計與製作

   

防風雨傘傘面的設計：我們設計了導流板讓空氣流動產生偏折，空氣的動能一部分動能轉變成傘面的圓周運動，但如果風壓夠大，還是會損毀雨傘，因此，我們需要開通風口，讓向上偏折的氣流離開系統。

導流板的設計：導流板最佳傾斜角為 30 度，材質應具備下列的特性： 具有一定的剛性不易變形、重量輕且價格便宜、具有防水性。 基於上述的考量，鋁板似乎是不錯的選擇，但是鋁板加工十分困難，因此，我們選擇以 PVC（聚氯乙烯）來製作導流板。

雨傘骨架的設計： 防風雨傘要能旋轉，除了靠導流板形成氣動面外，骨架也要能旋轉。

 

數據分析與結論

我們得知渦輪若要水平旋轉，扇葉必須為圓弧長條形，並且以實驗證明最佳傾斜角為 30 度。我們以旋轉雨傘改裝為防風雨傘，並在實驗中證明在強風的環境中防風雨傘確實比傳統雨傘更穩定也更安全。

 

以下是評審給的評語

    

【X博士評語】

雨傘雖然有很好的遮雨效果，但他的最大缺點就是「弱不禁風」，利用改良的雨傘，將風力轉成讓雨傘轉動的能量，而雨傘旋轉所產生的角動量，會形成陀螺效應，使雨傘具有水平穩定的慣性，讓傘面不易翻轉，如此一來，不論遇到多大的強風，都可以保護雨傘，同時也保護了我們在雨中行走的安全，可以說是一項應用價值很高的作品。