邢方舟

摘 要：本研究主要討論氣墊船模型在實(shí)際應(yīng)用時(shí)受到摩擦?xí)r的主要影響因素，合理提出假設(shè)后設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)對(duì)CD-氣球模型進(jìn)行了精確實(shí)驗(yàn)，確保了實(shí)驗(yàn)結(jié)果數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確度，最后通過對(duì)比的方式得出了影響摩擦的主要因素。

關(guān)鍵詞：氣墊船；摩擦；氣墊船模型；拖拽實(shí)驗(yàn)

該課題取材于2015年IYPT（國(guó)際青年物理學(xué)家錦標(biāo)賽）中的一道題目，我們做了適當(dāng)?shù)淖兓蛊涑蔀榱搜袑W(xué)的課題。

（1）背景：

將一張CD光盤和一個(gè)充滿氣的氣球通過一根管子連接。漏氣時(shí)可以升起裝置使其以低摩擦漂浮在一個(gè)表面上。研究相關(guān)參量如何影響“低摩擦”狀態(tài)持續(xù)的時(shí)間。

（2）目的：本課題旨在通過科學(xué)的研究方法解決無論是在工程學(xué)還是流體力學(xué)中都有一定意義與研究?jī)r(jià)值的氣墊船動(dòng)力學(xué)問題，該問題的解決有助于推動(dòng)氣墊船在生活中的應(yīng)用與普及，可為未來氣墊船的工程學(xué)改進(jìn)提供理論方向與基礎(chǔ)。

（3）模型展示：（右圖）

根據(jù)理論推導(dǎo)我們得出了氣球噴出氣體流量與時(shí)間的關(guān)系，在此我們得出：

1.半徑越大，放氣速度越快；

2.時(shí)間越長(zhǎng)，放氣越慢；

3.半徑和時(shí)間的關(guān)系近似為指數(shù)形式；

4.我們將在下一步的實(shí)驗(yàn)中通過實(shí)驗(yàn)對(duì)氣球及氣球氣流對(duì)于氣墊船的摩擦狀態(tài)的影響進(jìn)行探究。

2.實(shí)驗(yàn)

（1）預(yù)實(shí)驗(yàn)

實(shí)驗(yàn)材料： 標(biāo)準(zhǔn)CD-ROM光盤（光面朝下） 課桌（已擦凈） 普通吸管（未與光盤接口密封）

實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象：

①、用較小力氣吹：光盤穩(wěn)定飄浮在桌面上，摩擦力與系數(shù)降至極低。

②、用較大力氣吹：光盤不斷以較高頻率進(jìn)行振動(dòng)拍擊桌面，摩擦力與系數(shù)較高。

預(yù)測(cè)：對(duì)于實(shí)驗(yàn)中的主要影響因素應(yīng)當(dāng)是氣流的強(qiáng)弱與大小。在實(shí)際實(shí)驗(yàn)中，噴管與光盤接口需密封緊，要逐步控制氣壓與噴出氣流。

（2）氣球的參量的測(cè)定：

直徑12cm；小孔直徑1.5cm；質(zhì)量14.4g；導(dǎo)管長(zhǎng)13cm

（3）進(jìn)行氣墊船實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)準(zhǔn)備

①、確定桌面平整

②、確定桌面干凈

③、組裝器材

（4）有關(guān)數(shù)據(jù)：

（5）數(shù)據(jù)分析

經(jīng)過多組實(shí)驗(yàn)，我們總結(jié)出氣墊船的低摩擦持續(xù)時(shí)間與氣球直徑呈正相關(guān)關(guān)系。其氣球懸浮時(shí)間與初始體積成近似線性正相關(guān)的關(guān)系，且與總質(zhì)量呈負(fù)相關(guān)關(guān)系。其中前者較好的符合我們理論的驗(yàn)證。

（6）誤差分析及優(yōu)化

問題一：測(cè)量摩擦力時(shí)拖拽會(huì)造成光盤失去平衡增大摩擦，且會(huì)影響氣球出氣。

優(yōu)化：經(jīng)過多次使用懸掛法找出結(jié)構(gòu)重心，后將拖拽點(diǎn)改在重心處可避免結(jié)構(gòu)傾斜。

問題二：手拖拽結(jié)構(gòu)會(huì)使結(jié)構(gòu)產(chǎn)生加速度導(dǎo)致氣球搖擺導(dǎo)致出氣的不均勻。

優(yōu)化：對(duì)于問題二，我們放棄手拖拽，采用有定速的軌道小車進(jìn)行拖拽。

問題三：氣墊船不穩(wěn)定時(shí)與水平面有傾角，造成氣體斜噴，氣墊船出現(xiàn)抖動(dòng)。

優(yōu)化：減少導(dǎo)管長(zhǎng)度，降低氣墊船重心位置。

3.結(jié)論

（1）CD～氣球模型的結(jié)論

經(jīng)過實(shí)驗(yàn)，我們推出的氣球的相關(guān)關(guān)系：

氣球直徑與氣流，氣流與時(shí)間的關(guān)系：氣球噴出氣流大大減小了光盤與地面間的摩擦力。其中低摩擦狀態(tài)的持續(xù)時(shí)間與氣球直徑呈正相關(guān)，半徑越大，其放氣速度越快，時(shí)間越長(zhǎng)，放氣越慢，半徑和時(shí)間的關(guān)系近似為指數(shù)形式，其氣球懸浮時(shí)間與總質(zhì)量呈負(fù)相關(guān)關(guān)系。

（2）關(guān)于具體模型的推想

由于條件限制，我們所能做的實(shí)驗(yàn)均是具體情況的近似：CD～氣球模型為實(shí)物氣墊船的近似模型；我們?cè)谶@個(gè)簡(jiǎn)易模型中測(cè)定的物理量也可與實(shí)物模型中的物理量一一對(duì)應(yīng)：

氣體體積>>氣墊船中的動(dòng)力原料容量；

氣球>>氣墊船中的動(dòng)力源裝置；

光盤與地面間的摩擦力>>氣墊船與水面間的摩擦力

氣球懸浮時(shí)間>>氣墊船運(yùn)行時(shí)間

氣球放氣速度>>氣墊船噴氣速度

參考文獻(xiàn)

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[3]Charles de Izarra and Gr ?egoire de Izarra《Stokes equation in a toy CD hovercraft》，part 3. “Theoretical approach”