| 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。
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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.
图1。这艘帆船被困在低水位，露出下方的龙骨。
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
-
- 发现划船（2017年6月8日）.龙骨做什么？ 2018年6月1日取自 https://www.discoverboating.com/resources/what-does-the-keel-do
- Woodford，C。（2017年11月22日）.重心。2018年6月8日检索自 https://www.explainthatstuff.com/center-of-gravity.html
有关创建图表的帮助，请尝试使用以下网站:
-
- 国家教育统计中心（n.d.）.创建图表。检索自2009年6月2日起 http://nces.ed.gov/nceskids/createagraph/
材料和设备
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- 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。
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- 水
- 标尺
- 剪刀
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- 实验室笔记本
实验程序
- 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.
- 用水填充容器。确保水深度超过最长钉子/螺丝的长度。
- 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。
- 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）。
- 切割4×4厘米见方的帆布材料。
- 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）。
图2. 没有压载物的玩具帆船。
- 将你的帆船放入水中观察会发生什么。
- 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。
图3. 带镇流器钉子的帆船。
- 将您的船放回水中，看看会发生什么.
- 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。
- 一次一个地添加钉子，然后重新测试，直到你的船保持直立。
- 记录在数据表中保持船只直立所需的钉子数量。
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。
-
- 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。
- 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）。
- 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。
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- 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。
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- 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？
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变体形式
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- 如此视频所示，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。
