STEM-工程挑战 · 2020年3月2日 0

翻船!帆船如何保持直立

 

难度 <! – 3 – >
所需时间 非常短(≤1天)
先决条件 无。
材料可用性 一应俱全。
费用 非常低(低于20美元)
安全 将钉子钉入软木塞时要小心。

 

摘要

你有没见过一艘高大的帆船,想知道它们在刮风的时候怎么不翻转?尝试这个项目,了解帆船如何保持直立的物理背景。

目的

 

确定稳定不同高度帆船所需的压载重量。

 

积分

 

Ben Finio,PhD,Science Buddies

引用本页

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菲尼奥,本。”倾覆!帆船如何保持直立。” 科学伙伴,2019年1月26日,https://www.sciencebuddies.org/science-fair-projects/project-ideas/Aero_p054/aerodynamics-hydrodynamics/sailboat-capsized-ballast。2019年7月6日访问。

 

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菲尼奥(2019年1月26日)。倾覆!帆船如何保持直立。从…获得https://www.sciencebuddies.org/science-fair-projects/project-ideas/Aero_p054/aerodynamics-hydrodynamics/sailboat-capsized-ballast

最后编辑日期:2019-01-26

简介

 

什么时候你更容易平衡:当你站在一只脚上,或当你的手和膝盖爬行时?例如,试着站在一只脚上并靠在一边。在你摔倒之前,你能在多远的距离内倾斜?现在趴下来再试一次。这次你跌倒之前你能走多远?

您可能想知道这与船有什么关系。您可能已经注意到,当您重心比较低时,平衡或避免摔倒更容易。同样的概念适用于船只 – 它们需要保持直立并避免倾覆或翻转。要做到这一点,他们需要保持低重心。在物理学中,物体的重心是物体的整个重量可以表示为集中的点。您可以通过添加重量来移动对象的重心。当您向顶部添加重量时,重心将向上移动,当您将其添加到侧面时,它将移向该侧,当您将其添加到底部时,它将向下移动。你增加到一侧的重量越多,重心移动的越多.

要具有较低的重心,这意味着重量必须集中在船的底部,而不是顶部。对于帆船而言,这似乎是一个问题,帆船的风帆非常高,可以伸向空中。他们如何与如此多的体重保持平衡?他们通过使用压载物这样做,在船下保持重物,有助于降低重心。在帆船中,压载物通常是龙骨的一部分,船体下方的大型鳍状结构有两种用途(图1)。它可以固定压载物,也可以防止船被风吹向侧面。你是否感到惊讶的是,为船增加更多的重量可能是一件好事?在这个项目中,你会发现压载物需要多大才能保持帆船直立,这取决于帆的高度.

sailboat keel 图1。这艘帆船被困在低水位,露出下方的龙骨。

 

技术说明 

从技术上讲,在物理学中,术语”质量” 和”重量” 具有不同的含义。无论物体在宇宙中的哪个位置,物体的质量总是相同的。然而,物体的重量取决于重力 – 因此,例如,月球上的重量将不同于地球上的重力。在小学,这些术语经常互换使用,因为我们通常指的是地球表面上的物体而不担心重力的变化。可能会要求年龄较大的学生做出这种区分.

类似地,术语”质心” 和”重心” 在技术上具有不同的含义,但对于地球上恒定重力的物体,它们可以互换使用.

 

 

术语和概念

  • 倾覆
  • 质心
  • 镇流器
  • 龙骨

问题

 

    • 帆船龙骨的用途是什么?
    • 你认为有更高风帆的船需要更重的压载物吗?为什么?

 

 

参考书目

 

 

 

有关创建图表的帮助,请尝试使用以下网站:

 

材料和设备

    • 相同的葡萄酒瓶塞(3)
    • 木串(5)
    • 工艺泡沫或纸牛奶纸盒
    • 大致与软木塞长度相同的钉子或螺钉(大约10-20根,根据尺寸确切的数量会有所不同)
    • 水槽,浴缸或大容器,可以装满水。容器应该比钉子/螺钉的长度更深。
    • 标尺
    • 剪刀
    • 实验室笔记本

 

实验程序

 

 

  1. 如果您还没有,请观看这两个视频,了解项目概况以及如何建造船只。您参加科学博览会项目所遵循的程序将稍微详细一些.
  2. 用水填充容器。确保水深度超过最长钉子/螺丝的长度。
  3. 在实验室笔记本中创建如表1所示的数据表。

 

 

 

保持船直立所需的钉子数量
风帆尺寸 试验1 试验2 试验3 平均值
4×4 cm        
6×6 cm        
8×8 cm        

表1。示例数据表。

 

  1. 从木串的尖端切下4厘米(cm)的部分。扦子将是你的桅杆(支撑帆的部分)。
  2. 切割4×4厘米见方的帆布材料。
  3. 通过帆的边缘戳出叉子尖尖的一端,然后戳到软木塞中,制成你的第一艘帆船(图2)。
没有龙骨的玩具帆船
图2. 没有压载物的玩具帆船。

 

  1. 将你的帆船放入水中观察会发生什么。
  2. 将钉子钉入船底以形成压载物,直接与桅杆相对(图3)。注意:如果您使用的是螺丝钉,请确保将它们拧入软木塞而不是推它们。
带有钉子的帆船
图3. 带镇流器钉子的帆船。

 

  1. 将您的船放回水中,看看会发生什么.
  2. 如果你的船仍然不能保持直立,请在第一个钉子的直线上添加第二个钉子(图4)并再次将其放入水中。
  3. 一次一个地添加钉子,然后重新测试,直到你的船保持直立。
  4. 记录在数据表中保持船只直立所需的钉子数量。
带有多个钉子的软木塞用于压载物
图4. 此图显示了如何在船底添加更多钉子。尽量确保钉子大致位于软木前后的中心位置。将第一个钉子放在软木塞的中间。如果你把第二个钉子放在第一个钉子后面,那么你应该将第三个钉子放在第一个钉子的前面,依此类推。

 

    1. 重复步骤4-11两次,对于这个帆尺寸总共进行三次试验(为每次试验制作一艘新船)。请记住将结果记录在数据表中。
    2. 对于尺寸为6×6厘米(使用6厘米桅杆)和8×8厘米(使用8厘米桅杆)的帆尺寸重复步骤4-12。如有必要,您可以重复使用相同的三个软木塞(首先从软木塞上取下钉子和以前的风帆)。
    3. 制作数据图表,水平轴上的帆尺寸以及将船竖直在垂直轴上所需的平均钉数。
        1. 注意:要计算平均值,请将三次试验的指甲数加起来,然后将总数除以3。询问成年人是否需要帮助。

       

 

  1. 当帆越来越高时,钉子的数量(换句话说,压载物的重量)会如何变化?这个结果是否符合您的预测?

如果你喜欢这个项目,你可能会喜欢探索这些相关的职业:

海洋建筑师

水覆盖了地球表面的70%以上,而海洋建筑师设计的船只允许人类及其货物安全有效地穿过或进入这些水域。他们的一些船只设计非常庞大,就像商船一样,在数千英里的开阔水域中运载着大量的石油,汽车,食品,衣服,玩具和其他物品。这些船对各国之间的贸易至关重要。其他船只更小,更专业,如豪华游艇或邮轮。还有一些是为军事目的而设计的。了解更多

变体形式

 

    • 此视频所示,将指甲包在铝箔中形成鳍状,为您的帆船制作龙骨。这将有助于船直行。龙骨的尺寸是否会影响船的平直度?
    • 您是否注意到,当您不断添加钉子时,您的船在水中下沉了?这是因为你增加了船的重量。做一些关于”浮力” 的研究以及它如何帮助物体漂浮。在软木塞完全水下之前,你可以添加多少钉子?
    • 使用风扇创造恒定的微风,并计算船只从容器的一端到另一端的航行时间。帆或压载物的尺寸是否会影响船的行驶速度?你的帆的方向是否有所不同?请注意,您可能需要制作龙骨(请参阅上面的第一点)以帮助您的船直行.重要事项:在靠近水的地方使用电器时,请接受成人监督。