文档结构  
翻译进度:已翻译     翻译赏金:0 元 (?)    ¥ 我要打赏

介绍

你是否曾玩过玩具风车——或者看过真实生活中的那种,如风力发电机?你可曾想过问什么它们会长这样——有着多个叶片对称排布?为什么它们不能只用一个叶片?或者是不同形状或尺寸的叶片?那么,通过这个有趣的实验来找到答案吧!

背景

旋转的叶片被广泛运用于多种机器中。有些被用于收集来自空气的能量,如风力发电机。风推动这些叶片使它们转动,之后它们运动产生的能量被转换到齿轮中或形成电力。而有些叶片通过电机来推动空气——有时使它移动(比如风扇)有时推动一个物体在其中穿梭(比如,飞机推进器)。

第 1 段(可获 1.8 积分)

然而,这些叶片的共同之处在于它们均以对称的形式组装。这意味着它们围绕着中心等距分布,即“平均”。可能出现两个叶片直接相互穿过的情况,或者四个叶片形成“X”并且中心呈直角。

也有可能出现奇数个叶片的情况(比如,三个叶片等距分布,之间的角度为120度)。为什么对于叶片来说对称分布这么重要?为什么你没有见过只有一个叶片或两个叶片在同一侧的风力发电机?这个实验将会告诉你如何让叶片以最好的方式旋转!

材料

  • 至少一个纸风车(能被剪开的那种)
  • 吹风机
  • 剪刀
  • 成人监管

准备

  • 将你准备的所有材料都放在一个能将吹风机插上电并且使用的地方。请一位成人在距离拿着纸风车的你约一米远的地方使用吹风机。
第 2 段(可获 2.15 积分)

实验步骤

  • 打开吹风机。
  • 拿着纸风车站在距离吹风机一米远的地方。慢慢移动风车使它不断接近吹风机,直到风车开始转动。到底需要多近才能使纸风车开始转动呢?
  • 现在,请一位成人帮助你使用剪刀尽可能从根部减掉一个叶片。这将使风车上的叶片不再对称,因为剩下的叶片不再围绕中心等距分布。
  • 再次,拿着风车站在距离吹风机一米远的地方并且逐渐使它接近吹风机,直到风车开始转动。需要多近才能使纸风车开始转动呢?
  • 用剪刀再减去一个叶片。根据开始你的风车有多少个叶片,你需要决定减去那个叶片,以及风车是否保持不对称或是变得对称了。比如,假设你的风车开始有四个叶片。当减去一个叶片后,上面剩下三个不等距的叶片,因此此时叶片不对称。现在你减去已减去的那片旁边的叶片,因此含有两个不等距叶片的风车依旧不对称。或者你可以减去已减去的那片对面的那个叶片。这将使风车再次对称,此时两个叶片相互对称。如果你有多个风车,那么你可以尝试不同的组合。
  • 拿着风车站在距离吹风机一米远的地方并且逐渐使它接近吹风机。这次需要多近才能使纸风车开始转动呢?
  • 不断重复这个过程,直到你的风车只剩下一个叶片。
  • 叶片的数量会影响风车转动的容易性么?是否存在某次,你需要拿着风车里吹风机非常近呢?
  • 风车转动的难易程度是否依赖于对称或不对称分布的叶片?
  • 特别地:用尺子或卷尺记录下每次风车开始转动时距离吹风机多近。之后你能够用距离吹风机的距离:叶片的数量做出你的结果图。
第 3 段(可获 4.79 积分)

观察和结果

你应该能发现的是,当含有大量对称分布的叶片时,风车最“容易”转动。当你去除叶片,你可能需要将叶片不断靠近吹风机才能使其开始转动。当叶片不对称时这一情况非常正确。这会导致叶片开始“晃动”并且在风车轴(支撑叶片的杆)那里产生更多摩擦。高度的摩擦时风车难以转动,这意味着风力必须更强——因此你需要把风车拿到离吹风机更近的地方才能使它转动。当他们设计和制作风力发电机或飞机螺旋桨时,你认为这会对工程师的计划产生怎样的影响呢?

第 4 段(可获 1.64 积分)

文章评论