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介绍

你曾经有想过爬到高处的架子上吗? 或者你曾经看过建筑工人爬到一个高大的电线杆上吗? 一个剪叉式升降机是一种可以延伸到很高的位置,也可以折叠得很小的装置。 在这个实验中,你可以利用家庭中常见的材料亲手制作一个剪叉式升降机!

背景

机械连杆装置是由旋转或滑动关节相互连接的刚性杆组成的一种机械。 把链接和关节结合起来后,可以完成许多复杂的运动,它可以被运用于你身边的所有机器中。 它可以用来将运动从一种类型转换到另一种类型。 例如,汽车发动机中的连杆将活塞的前后运动转换为旋转运动, 最终被转移到汽车轮子上。 连杆可以用来放大两个力, 比如钳子的原理。 后者还有一个例子是,如果你有一个杠杆,其中一端是另一端的两倍长, 当你压下较短的一端, 较长的一端将会升高两倍(注意,在这两种情况下,能量是守恒的,你永远无法从一个装置中获得“自由”的动力)。

第 1 段(可获 2.75 积分)

在这个实验中,你可以建造一个称为剪叉式升降机的装置。 这种升降机通常用于建筑工程,可以将工人送到高处。 一般来说,它是一种伸缩装置。 剪叉式升降机采用类似手风琴的收缩和伸展运动, 让它的伸展和折叠能远远超出其原始长度。 通过这个实验制作你自己的升降机,看看它能达到什么高度!

材料

  • 瓦楞纸板
  • 图钉
  • 粘土或Play-Doh彩泥
  • 剪刀(如果需要的话,邀请一个成年人帮助你裁剪和使用图钉 )
  • 标尺(可选)
第 2 段(可获 1.2 积分)

准备工作

  • 将瓦楞纸板切成至少六条同样大小的纸板。 确切的尺寸并不重要,但最好大致是2-3厘米宽,10-15厘米长。

步骤

  • 用图钉小心地把其中两条纸板的中间刺穿使其形成一个“X”。”
  • 其他的纸板条也是如此做成几个X。
  • 现在,用图钉把一个X固定到另一个X之下, 如图所示。使得每一条纸板用图钉固定的位置相同是十分重要的。 例如,不要把一个刚好固定在中间而另一个靠近边缘。)
  • 继续把其他X用图钉上下连接。 你需要确定哪一条纸板是顶部,哪一条在底部,这会影响你的升降机的平衡。
  • 用少量的粘土或彩泥覆盖住纸板后面突出的图钉。
  • 现在,把整个剪叉式升降机平放在桌子上。 用手指轻轻握住一个X的自由端。 尝试轻轻拉开使两头相互远离, 发生了什么?
  • 现在试着轻轻推动使两头相互靠近, 发生了什么?
  • 额外步骤: 用一把尺子来测量升降机完全折叠和完全展开时的长度, 长度有多大变化?
  • 额外步骤: 把更多的纸板条固定到剪刀式升降机上。 你可以做出多长的升降机?
  • 额外步骤: 你的硬纸板剪叉式升降机是机械装置如何工作的一个很好的例子, 但它并不是很坚固。你可以用其他不同的材料制作一个更坚固的剪叉式升降机吗? 你能在末端装一个“爪”,这样你就可以用它去抓取东西吗?
第 3 段(可获 4.06 积分)

观测结果

你应该会发现,当你压X的两端时, 你的剪刀式升降机会合拢(所有X的变短,被压扁)。 当你拉X的两端, 剪式升降机展开(所有X的变高变瘦)。 你的纸板条的尺寸和图钉固定的位置恰当的话, 它应该能够延伸到原来长度的两倍左右。

因为你的剪刀式升降机是用纸板制作的, 因此它应具有一定的柔韧性, 图钉固定的位置也不一定要非常完美。 但如果在裁剪纸板和固定图钉时不够小心, 你的剪刀式升降机可能就会卡住, 或是无法运动。为了使升降机能正常工作, 每一对X都必须形成两侧长度相同,且彼此平行的平行四边形。 如果你把纸板条裁成不同的长度,或者图钉的位置不是相互对应, 就不可能形成平行四边形, 从而使得剪刀式升降机无法工作。

第 4 段(可获 2.55 积分)

粘土主要用来保护你的手指不被图钉刺伤,但这可能会使得剪刀式升降机使用起来不是很方便。 因此可以尝试用木板代替纸板, 制作一个更坚固的剪叉式升降机, 请一个成年人帮助你用钳子把图钉尾部掰弯到90度,可以防止图钉掉落。

第 5 段(可获 0.86 积分)

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