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介绍

你应该知道弹射器是什么。在中世纪军队会用它们在城墙上投石头。但是你知不知道有一个更大一点的中世纪攻城武器叫做投石器?来试试做一个迷你版吧!

背景

把科学带回家项目制造一个投石器展示了用冰棍棒和橡皮筋制作微型投石器。这个投石器的原理是存储弹性势能——一种当你拉伸一种东西例如橡皮筋或者弹簧时产生的能量——然后迅速转化成弹丸(在这种情况下是棉花球)的动能(运动的能量)。

第 1 段(可获 2 积分)

投石器的原理和这个不同。它源于重力势能——一种当把物体从地面抬高而获得的能量。投石器有一个杠杆臂,在一端有一个又大又重的配重,另一端有一个轻一些的弹丸。当配重被抬起,它就具有很大的重力势能。然后配重下落,转动杠杆臂,将其中的能量转化为弹丸的动力,让它被透射出去。

很多中世纪投石器比弹射器更大,也可以投射更远。准备好自己做一个吧!

第 2 段(可获 2 积分)

材料

  • 一块瓦楞纸板,尺寸约1英尺*1英尺
  • 冰棒棍
  • 剪刀
  • 铅笔
  • 珍宝饮料或“奶昔”吸管
  • 胶水(如果有热胶枪最好,但使用时需要大人帮助以及警惕小心。)
  • 胶带
  • 橡皮筋
  • 绳子
  • 回形针
  • AA 电池

准备

  • 把你所有的材料都集中,放置在一个开阔且没有人员、动物往来或者易碎物品的地方,这样就可以放心地测试投石器了。安全注意事项: 不能瞄准人或动物。玩具投石机似乎是无害的,但即使一个小小的弹丸也能造成眼睛受伤。
  • 建造投石器,要搭建一个看起来像秋千似的的框架。它的两侧看起来像两个“A”字形结构,顶上有个横梁。做成这样的方法不止一种,因此这里所描述的过程只是其中一种。例如,你可以使用铅笔来代替冰棒棍,来搭建整个框架,而且你可以选择是否使用胶带、胶水或橡皮筋来紧固不同的连接位置。就像做工程设计项目一样——没有唯一的“正确答案” 或者搭建投石器的正确方法。你可以根据自己的想法、现有的材料来修改你的设计。
第 3 段(可获 2 积分)

 

  • 首先从搭建两侧的"A"字形构件开始。 拿出5个冰棒棍,将其中1根截成两半。利用两根长的和一个半根搭成一个“A”字形,不过要保证两根长棍相接的顶部,能轻微地形成个小小的“V”字形。这个小缺口是为后面搁置铅笔而留出的。用胶把它们粘合在一起,并重复做出另一侧。
  • 在瓦楞纸板上小心地切出凹坑,能让你的A字形构件竖直地站立起来,两片之间间隔几英寸。 将A字形构件的底端粘到凹坑中。如果有必要,可以用胶、胶带和多余的冰棒棍给连接处做紧固,确保它们自己可以保持直立。
  • 现在你将搭建投石器的投臂。在一根冰棒棍的两端,靠近尽头的地方,小心地切出两个小切口。切口应足够宽,能在一截绳子上滑动。 这将有助于将平衡重的位置保持住。
第 4 段(可获 2 积分)

 

  • 用胶带或橡皮筋,将一小圈绳子绑到AA电池上。将电池吊在冰棒棍的切口处。如果有必要,加深切槽的深度,或者用胶带、胶或橡皮筋固定绳子。 在这个设计中有配重,为什么你认为它很重要?它是如何帮助我们利用重力势能概念的?
  • 掰直一个回形针的一端,让它基本是直的,但不完全是直的。将回形针其余的平坦部分绑到冰棒棍的另一端,使掰直的部分朝外、朝上(远离平衡重的方向)。这将作为钩住“吊索”的钩子,吊索上的则是弹丸。
  • 将橡皮从铅笔上拆下,并把它绑到一小圈绳子上。再将它吊在回形针制作的钩子上。
第 5 段(可获 2 积分)
  • 剪下一小段奶昔吸管,大约一英寸长。使用胶、橡皮筋或胶带,将这一小段吸管与投石器投臂垂直绑定。吸管离平衡重的距离,要比它离钩子的距离要近得多。(这段距离,稍后你可以试着调整。)
  • 将铅笔插入奶昔吸管中。
  • 把铅笔放进两个A字形构件顶部的两个V形缺口之中。 用橡皮筋把它固定到位。这形成了一个横梁,并且你的投石器框架就搭建完成了。吸管和铅笔形成一个允许投臂旋转的支柱。(我们建议在这一步骤中不要使用胶水——我们还需要拆下横梁,调整投臂。)
  • 确保你的投石器是坚固的,框架已经紧固好了。试着用手旋转投臂。 如果有某些连接处看起来很脆弱,或者框架有很明显的抖动,用胶带、胶水或橡皮筋加固它们。
第 6 段(可获 2 积分)

过程

  • 现在该来测试你的抛石器啦。用一只手将橡皮往下拉。这样将使配重提起到空中来。然后,确保附近没有人、动物或者易碎物品后,松手。当你放开橡皮时,会发生什么? 它是向前发射的吗?还是竖直向上飞?还是根本没有发射出去?
  • 现在为了获得最佳发射效果,你可能需要调整你的投石器。 试着把橡皮拉到投石器框架下面。假如橡皮挨到了地面,吊索变松,没有关系。当配重下降时,它会拖动地上的橡皮,然后把它拉到空中。你能找到橡皮的最佳起点吗?为什么从这点射得最远?
第 7 段(可获 2 积分)

 

  • 补充:为了改善投石器性能,有很多地方值得改进。可以试着改变下列的事项,看看它们是如何影响橡皮被抛出的距离的。为了将橡皮扔得尽可能远,你能优化你的设计吗?
    • 配重的大小:尝试使用更轻(或更重)的电池。 你认为配重的重量会对你的弹丸产生什么影响?
    • 投臂的长度:总长度,以及支点到平衡重的距离与支点到吊索距离的比率。如果你移动支点,让它恰好在投臂的中间,会发生什么呢?假如你将多个冰棒棍用胶粘在一起,做成一个更长的投臂,会发生什么呢?
    • 吊索的长度:如果你使它变长或变短,会发生什么?
    • 吊钩的形状:如果你将回形针掰得更直,或者更弯,或者更短,会发生什么?
    • 弹丸的重量:如果你使用橡皮以外的东西,比如一个小纸团?
第 8 段(可获 2 积分)

观察和结果

当你把橡皮擦拉下来, 就将电池举到了空中,给了它(重力)势能。当你松开橡皮时,电池下落,它的重力势能转化为橡皮的动能。随着投臂的摆动,绑着橡皮的吊索从钩子上滑出,从而橡皮的动能使它像弹丸一样飞到空中。 

根据你搭建投石器的具体方式不同,你看到的结果也会有差异。记住,搭建投石器并没有唯一的“正确”方式。一台坚固的投石器,应该能使橡皮飞出几英尺远。假如一开始,投石器发射出的橡皮直直地飞入空中,或者根本没有发射出去,不要气馁。你可以修改你的设计,让橡皮飞得更远(参见过程中结束部分的建议)。

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