羅彬賓

（常州信息職業(yè)技術(shù)學(xué)院 常州市高端制造裝備智能化技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江蘇常州 213164）

0 引言

在兒童玩樂中潛移默化地傳授科技知識(shí)，更能激發(fā)兒童對(duì)科技的興趣。本文從電磁感應(yīng)現(xiàn)象出發(fā)，針對(duì)一些游樂場(chǎng)所的高空項(xiàng)目設(shè)計(jì)了一種楞次安全控速觀光降道[2]，這種觀光降道既新奇刺激，又容易理解解釋，可以很輕松地將其原理傳授給游玩的兒童，不但成本低，而且安全無(wú)害，材料很容易獲取，家長(zhǎng)還可以很輕松地在家里重復(fù)其過程，因此其極具教育意義。

1 理論和實(shí)驗(yàn)支撐

根據(jù)楞次定律：感應(yīng)電流的磁場(chǎng)總要阻礙引起感應(yīng)電流的磁通量的變化[3]。而且麥克斯韋進(jìn)一步地闡述道：無(wú)論空間是否有導(dǎo)體，變化的磁場(chǎng)空間都會(huì)出現(xiàn)感應(yīng)電場(chǎng)[4]，即為渦旋電場(chǎng)，渦旋電場(chǎng)的電場(chǎng)線是閉合的[5]。為了研究和驗(yàn)證這些理論，各類研究人員做了各種各樣的實(shí)驗(yàn)儀器，比如有楞次環(huán)[4,10]、感應(yīng)線圈[9]、金屬管道[6-8]等，甚至有研究指向更為普遍性的情況，即非閉合導(dǎo)體的電磁感應(yīng)現(xiàn)象[4,8]。很多研究人員給出了詳盡的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。為了更直觀地觀察這種電磁感應(yīng)現(xiàn)象，設(shè)計(jì)了一個(gè)磁鐵在金屬管道中運(yùn)行的實(shí)驗(yàn)儀器。如圖1所示，該實(shí)驗(yàn)為了防止楞次試驗(yàn)儀材質(zhì)對(duì)實(shí)驗(yàn)的影響，除金屬管外其他部件均非導(dǎo)體材質(zhì)，其中彈性層是由硬度低的材質(zhì)構(gòu)成，以免磁鐵直接與硬度高的基座碰撞而損傷磁鐵。實(shí)驗(yàn)用的磁鐵為釹鐵硼磁鐵（φ20 mm×20 mm）；兩種銅管均為紫銅銅管且其外圓直徑均為φ28 mm，其長(zhǎng)均為500 mm，壁厚為2.5 mm，其中帶縫（單縫）銅管的縫寬為1 mm；鋁管外圓直徑為φ28mm，其長(zhǎng)為500 mm，壁厚為2.5 mm。對(duì)磁鐵在每種金屬管中運(yùn)行的時(shí)間測(cè)量了5次，測(cè)量結(jié)果如表1所示。

圖1 楞次實(shí)驗(yàn)儀

表1 圓柱磁鐵在金屬管中的運(yùn)行時(shí)長(zhǎng) s

從表1中可以很清楚地觀察到，圓柱磁鐵在同等條件下經(jīng)過不同金屬管的時(shí)間是不同的，金屬管側(cè)的縫隙對(duì)下落時(shí)間的影響是比較大的。通過這些數(shù)據(jù)對(duì)比發(fā)現(xiàn)，這個(gè)圓柱磁鐵在金屬管中的下落時(shí)間與清華大學(xué)黃志雷等[6]在《圓柱形磁鐵在金屬管道中的下落時(shí)間》一文中給出的公式基本一致,即

式中：r為金屬管半徑；a為金屬管壁厚；l為金屬管長(zhǎng)；B為磁通密度；ρ為金屬管電阻率。當(dāng)然這個(gè)公式只適用于無(wú)縫的金屬管，而對(duì)于帶縫的金屬管其偏差就顯得較大了，但是不管何種條件磁通密度B對(duì)磁鐵在金屬管中下落時(shí)間的影響是直接而又有效的。

在實(shí)驗(yàn)中不但測(cè)得了一系列數(shù)據(jù)，也觀察到以下現(xiàn)象（如圖2）：圓柱磁鐵在無(wú)縫金屬管中從管口上方下落過程中，下落速度會(huì)在極短的時(shí)間內(nèi)達(dá)到勻速，且圓柱磁鐵均會(huì)沿著金屬管的軸線勻速下落，如果圓柱磁鐵軸線在管口上方非豎直狀態(tài)，其在下落中會(huì)迅速調(diào)節(jié)為豎直狀態(tài)沿著金屬管的軸線勻速下落，且其自身還會(huì)有一個(gè)微弱的繞軸線自轉(zhuǎn)狀態(tài)。而對(duì)于帶縫的金屬管，磁鐵下落速度也會(huì)迅速達(dá)到勻速狀態(tài)，不管圓柱磁鐵的軸線在管口上方是否豎直，圓柱磁鐵的軸線都會(huì)迅速調(diào)整到豎直狀態(tài)并緊貼縫口勻速下落，下落過程中由于磁鐵柱面緊貼金屬管縫口下落產(chǎn)生刺耳的滑動(dòng)摩擦音，并且其本身沒有出現(xiàn)自轉(zhuǎn)現(xiàn)象。

圖2 圓柱磁鐵在金屬管中下落狀態(tài)

2 楞次安全控速觀光降道的整體設(shè)計(jì)

根據(jù)所知的理論以及上述的實(shí)驗(yàn)，我們可以清楚地認(rèn)識(shí)到，磁通密度和金屬管的各種參數(shù)對(duì)圓柱磁鐵的下落時(shí)間影響很大的，但是如果設(shè)計(jì)高空游樂項(xiàng)目，我們很難在已經(jīng)設(shè)定的情況下改變金屬管的各種參數(shù)，唯一可以輕易改變的是磁通密度，要控制圓柱磁鐵在給定的金屬管道中運(yùn)行時(shí)間，就必須得改變圓柱磁鐵的磁通密度。因此根據(jù)這些條件為高空游樂項(xiàng)目設(shè)計(jì)了這樣一個(gè)楞次安全控速降道[2]。

如圖3所示，該楞次安全控速觀光降道是由絞盤、纜線、觀光艙體及金屬管道、旋轉(zhuǎn)矯正臺(tái)等組成的。其中觀光艙體的軸線在纜線和重力的作用下與金屬管道的軸線基本一致，且金屬管道的管口直徑稍大于觀光艙體的直徑，這樣觀光艙體就可以輕松地落入金屬管道之中了。我們通過滑輪、纜線及絞盤讓觀光艙體保持在金屬管道上方，當(dāng)突然放開絞盤的制動(dòng)系統(tǒng)或斷開纜線與觀光艙體的連接，那么觀光艙體在重力的作用下就會(huì)下落到金屬管道中，如果觀光艙體本身還是一個(gè)磁鐵的話，那么觀光艙體在短暫加速后勻速在金屬管道中緩緩下落，既安全又新奇，可以激發(fā)觀光者對(duì)其工作原理的探索，以達(dá)到寓教于樂的目的。當(dāng)然如果觀光艙體在無(wú)縫的金屬管道中下落的話，長(zhǎng)距離的相對(duì)密閉空間對(duì)觀光艙體中的乘坐人員的心理是一個(gè)很大的考驗(yàn)。一個(gè)相對(duì)密閉的空間且無(wú)法看到外面的情況會(huì)讓部分乘坐人員心生恐懼，可能會(huì)導(dǎo)致其不適，因此我們根據(jù)圖1實(shí)驗(yàn)所觀測(cè)到的現(xiàn)象，在金屬管道觀看風(fēng)景的一側(cè)開一個(gè)可供觀光的縫隙。這個(gè)縫隙的設(shè)計(jì)，不但可以為乘坐者提供較好的觀光視野，也可以給予乘坐者一定的心理安慰，因?yàn)橛^光艙體是緊貼縫隙下落的，乘坐者可以目視觀光艙體緊貼金屬管道縫隙兩側(cè)悠然滑落，這個(gè)過程可以極大地滿足乘坐者的心理安全需求。

圖3 楞次安全控速觀光降道示意圖

3 金屬管道及觀光艙體的設(shè)計(jì)

對(duì)于高空游樂項(xiàng)目來(lái)說(shuō)，其與地面距離很長(zhǎng)，那么整體式的金屬管道是極其不合理的，既不利于制造，也不利于安裝，因此金屬管道可以根據(jù)需要分段制作。其最底部的一段縫隙（如圖3）設(shè)計(jì)得較大，這樣可以方便觀光者出入。至于觀光艙體（如圖4），其上部為乘坐區(qū)，下部為電磁鐵區(qū)。乘坐區(qū)是由支撐框架與透明移動(dòng)門等組成，其作用是在保障體驗(yàn)者乘坐安全的同時(shí)，也為體驗(yàn)者提供良好的觀光體驗(yàn)。而電磁鐵區(qū)的作用是，可以根據(jù)體驗(yàn)者的刺激偏好調(diào)節(jié)電磁鐵的磁通密度，當(dāng)體驗(yàn)者屬于害怕高強(qiáng)度刺激的那一類游客時(shí)，那么就增強(qiáng)其磁通密度，以減慢觀光艙體在金屬管道中運(yùn)行的速度，反之則減弱其磁通密度。

4 觀光降道的安全設(shè)計(jì)

對(duì)于高空娛樂設(shè)備而言，相對(duì)于游樂體驗(yàn)，游客的安全才是最重要的。雖然在實(shí)驗(yàn)中，圓柱磁鐵下落過程穩(wěn)定且安全，但我們不能排除其失效的可能性。導(dǎo)致其失效的最大可能性有兩種：一種是圓柱磁鐵的磁性失效；另一種是外部偶發(fā)性失效。對(duì)于圓柱磁鐵磁性失效，也就是其突發(fā)性無(wú)磁，那么圓柱磁鐵就會(huì)在金屬管道中做自由落體運(yùn)動(dòng)，如果沒有防護(hù)措施，那么其危害性是可想而知的。至于外部偶發(fā)性失效，從部分楞次實(shí)驗(yàn)[9]可以看到：楞次實(shí)驗(yàn)過程中感應(yīng)電流可以輕松地點(diǎn)亮LED燈。根據(jù)能量守恒定律可以斷定：感應(yīng)電流的流出會(huì)極大地?fù)p害金屬管道對(duì)圓柱磁鐵下墜阻力的作用，那么圓柱磁鐵很容易在金屬管中做類似自由落體運(yùn)動(dòng)。為了驗(yàn)證是否會(huì)發(fā)生此種現(xiàn)象，在圖1實(shí)驗(yàn)儀上的金屬管上纏繞銅線與LED燈相連。可以很清楚地觀察到，當(dāng)圓柱磁鐵下落時(shí)，LED燈迅速點(diǎn)亮，且圓柱磁鐵在極短的時(shí)間內(nèi)掉落到彈性層上。由此可見，當(dāng)感應(yīng)電流偶發(fā)性流出時(shí)，金屬管對(duì)圓柱磁鐵的下落阻力會(huì)變得極其無(wú)力。由于當(dāng)圓柱磁鐵在有縫金屬管中下落時(shí)，圓柱磁鐵會(huì)緊貼金屬管縫口下滑，發(fā)出刺耳的滑動(dòng)摩擦音，因此為了防止可能發(fā)生的安全隱患，在觀光艙體電磁區(qū)的支撐框架上面向金屬管縫隙的一側(cè)均勻安裝兩列滾輪（如圖4），滾輪上安裝壓力傳感器。滾輪的滾動(dòng)可以消除滑動(dòng)摩擦產(chǎn)生刺耳的噪聲，壓力傳感器可以起到示警的作用，也就是當(dāng)觀光艙體在下墜過程中壓力傳感器的數(shù)值發(fā)生非合理范圍內(nèi)變化時(shí)，可以迅速繃緊纜線，以阻止觀光艙體繼續(xù)下墜。當(dāng)然為了進(jìn)一步保障體驗(yàn)者的安全，防止極端現(xiàn)象的發(fā)生，我們?cè)诮饘俟艿赖牡撞吭O(shè)計(jì)了圖5所示的旋轉(zhuǎn)矯正臺(tái)。該旋轉(zhuǎn)矯正臺(tái)由旋轉(zhuǎn)臺(tái)、彈性承重臺(tái)、彈簧、基座、電動(dòng)機(jī)等組成。其中旋轉(zhuǎn)臺(tái)可由電動(dòng)機(jī)帶動(dòng)，用來(lái)矯正觀光艙體下落過程中可能的自轉(zhuǎn)導(dǎo)致的艙門失位，防止體驗(yàn)者無(wú)法正常地從艙門出入，而滾珠的作用是減小旋轉(zhuǎn)臺(tái)與彈性承重臺(tái)之間的摩擦，減輕電動(dòng)機(jī)的負(fù)擔(dān)。彈性承重臺(tái)的作用是：當(dāng)所有安全措施失效時(shí)，觀光艙體呈自由落體下墜時(shí)，彈性承重臺(tái)保障體驗(yàn)者在極端情況下安然無(wú)恙地離開。

圖4 觀光艙體

圖5 旋轉(zhuǎn)矯正臺(tái)

5 結(jié)語(yǔ)

從游樂的角度出發(fā)，根據(jù)常見的電磁感應(yīng)現(xiàn)象，設(shè)計(jì)了一款楞次安全控速降道。利用圓柱磁鐵在非對(duì)稱金屬管道（單縫金屬管道）下墜運(yùn)動(dòng)現(xiàn)象，使用滾輪消除滑動(dòng)摩擦噪聲，利用壓力傳感器間接監(jiān)測(cè)圓柱磁鐵在非對(duì)稱金屬管道墜落速度，以保障其運(yùn)行安全。并在非對(duì)稱金屬管道基底處設(shè)計(jì)了旋轉(zhuǎn)矯正臺(tái)，以保證極端情況下體驗(yàn)者的人身安全。