STEM-工程挑战 · 2019年7月21日 0

停下火车!磁悬浮列车磁力制动器

 

难度 <! – 3 – >
所需时间 非常短(≤1天)
先决条件 这个项目需要注重细节和耐心。构建完成后,您需要进行调整以使其完美运行。一旦所有东西都仔细排列,火车就会漂浮在铁轨上方。
材料可用性 需要特殊材料。请参见材料部分。
费用 低($ 20 – $ 50)
安全 让磁铁远离可能吞下它们的小孩和宠物。

 

摘要

您是否知道可以使用磁铁来建造漂浮在轨道上方的火车?在这个项目中,您还将使用磁铁使列车停止,防止它撞到轨道的末端。是否会增加更多磁铁以帮助火车更快停止?

目的

 

测量磁铁”制动器” 的数量如何改变火车滑下山坡的停车距离。

 

积分

 

Ben Finio,PhD,Science Buddies

引用本页

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菲尼奥,本。”停下火车!磁悬浮列车的磁力制动器。” 科学伙伴,2019年5月3日,https://www.sciencebuddies.org/science-fair-projects/project-ideas/Phys_p105/physics/maglev-train-magnetic-brakes。2019年7月6日访问。

 

APA风格

菲尼奥(2019年5月3日)。停下火车!磁悬浮列车的磁力制动器。从…获得https://www.sciencebuddies.org/science-fair-projects/project-ideas/Phys_p105/physics/maglev-train-magnetic-brakes

最后编辑日期:2019-05-03

简介

 

没有轮子的火车听起来疯了吗?火车怎么可能没有轮子沿着轨道移动?由于磁悬浮磁悬浮,实际上可以在轨道上方悬停的列车。这些列车使用强大的磁铁停留在空中。磁铁产生磁场。该磁场可以推动或拉动其他附近的磁体,或产生。磁铁推或拉是否取决于磁极所面向的方向(参见)电力,磁学和电磁学教程了解更多).

在磁悬浮列车的情况下,放置磁铁使得该磁力用于推动列车的重量。重量是由于重力而将物体拉向地球的力。如果磁力足够强,它可以克服火车的重量并将其推向空中!图1显示了您将在此项目中构建的磁悬浮列车上的力的图表.

 磁悬浮列车套件横截面图
图1。磁悬浮列车的横截面图。火车底部有两块磁铁。这些磁铁推动形成轨道的两个磁铁。如果来自磁铁的力足够强,列车将漂浮在轨道上方的空气中。

 

在这个项目中,您将构建一个带有额外挑战的磁悬浮列车,使列车在到达轨道尽头时停止。您将以一定角度倾斜轨道,以便火车可以滑下山坡。你将在火车的末端放一块磁铁,并建立一个磁性”塞子” ,以防止火车从轨道末端滑落而不会发生碰撞。将更多的磁铁添加到塞子有助于火车早点停止?试试这个项目吧!

术语和概念

 

 

    • 磁悬浮

 

    • 磁悬浮
    • 磁铁

 

    • 磁场

 

 

    • 磁极

 

  • 重量
  • 重力

问题

 

    • 什么是磁铁?
    • 有哪些不同类型的磁铁?
    • 什么是磁极?
    • 磁铁何时推动(击退)或拉动(吸引)另一块磁铁?
    • 磁力如何随距离变化?换句话说,如果你增加磁铁之间的距离,它们会相互吸引(或排斥)更多还是更少?

 

 

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

注意:此处列出的尺寸与程序中显示的材料相匹配。您可以使用不同尺寸的零件,但需要相应地调整火车的一些间距(参见程序中的图3和图4)。该项目的材料可在线或在五金店购买。

 

 

    • 磁带,1/2″宽,切成两个24″件和两个5″ 件
    • 90°塑料角件(2),24英寸长,3/4″宽。可在线或在五金店购买。
    • 木块,5″×3/4″ ×1-1/2″(注意:在五金店中列为1″ ×2″的一块木头的实际尺寸为3/4″ ×1-1/2″)
    • 平板木板或瓦楞纸板,至少24英寸长,3英寸宽
    • 矩形磁铁(5),大约1″×3/4″ ×3/16″。相对于木块的尺寸参见图8。
    • 清除磁带
    • 透明双面胶带
    • 双面泡棉胶带

 

    • 铅笔
    • 剪刀
    • 标尺

 

    • 几本书
    • 实验室笔记本

 

 

实验程序

建立您的火车

此视频和以下书面说明将向您展示如何组装您的火车.此项目需要注重细节和耐心。构建完成后,您需要进行调整以使其完美运行。一旦所有内容都仔细排列,火车就会漂浮在轨道上方。如果您的火车无法上班,请参阅常见问题解答

磁悬浮列车的装配说明。

 

 

  1. 将纸张从两个短磁条上剥离并将其粘贴到木块的一侧,如图2所示。条带的边缘应与块的边缘对齐。这个街区将是你的火车车厢。注意:如果磁条不够粘,不能自己粘在木头上,请使用透明的双面胶带。
木块上的磁条
图2. 磁条附着在木块上。

 

  1. 切成一块至少24英寸宽,3英寸宽的木头或纸板。这将成为您火车轨道的基地。
  2. 使用其中一个长塑料角件作为直尺,在底座上纵向画五条线,如图3所示。
      1. 在基座中间画一条中心线。
      2. 在中心线的每一边画一条5毫米的线。
      3. 在中心线的每一边画一条20毫米的线。

     

纸板上线条的尺寸
图3. 您将在基础上绘制的线条的尺寸。

 

  1. 将长磁条和塑料角件安装到底座上,如图4和图5所示。密切注意间距,这对于让您的火车正常工作非常重要。
      1. 将纸张从长磁条上剥离。小心地将它们放在底座上,使它们的内侧边缘与距离中心线5 mm的线对齐,这样条带相距10 mm。注意:如果磁条不够粘,不能自行粘在底座上,请使用透明的双面胶带。确保按下牢固,使它们固定到位。
      2. 使用双面胶带将塑料角件连接到底座上,使其内侧边缘与距离中心线20 mm的线对齐,因此它们相距40 mm。

     

 

磁铁轨道和塑料角度的间距
图4. 磁条和塑料角件间距的横截面视图。

 

 完成的磁悬浮列车轨道 <登记/>图5. 完成曲目的图片。

 

  1. 将火车放在轨道上,磁条朝下。它应该平行于轨道悬停,如图6所示,你应该可以来回滑动而不会卡住。如果您的列车没有如图6所示悬停,请参阅常见问题解答以获取故障排除信息。
 磁悬浮列车平行于轨道
图6。火车平行于轨道盘旋。

 

  1. 在轨道的一端构建磁性”塞子” ,如图7所示。
      1. 切成一块约7厘米×5厘米的小矩形纸板。
      2. 使用胶带将纸板以直角连接到轨道的一端。
      3. 使用双面泡沫胶带将矩形磁铁固定在纸板上。当火车漂浮在轨道上方时,确保磁铁与火车的木块处于同一高度,并且磁铁位于两个塑料件之间的中心位置。

     

磁悬浮列车磁力塞 <登记/>图7. 轨道一端的磁塞。

 

  1. 使用双面泡沫胶带将一个矩形磁铁连接到火车的两端,如图8所示。磁铁很重,因此每侧需要一个磁铁以保持火车平衡。
    1. 重要:测试磁铁,看哪排斥连接到制动器的磁铁。将磁带粘在火车上时,确保磁铁的这一面朝向向外。否则你的制动系统将无法工作,你的火车将被吸引到塞子而不是被推开!
 附有磁铁的磁悬浮列车
图8. 磁铁两端附着的磁铁。

 

  1. 使用多本书提升火车轨道的一端,如图9所示。轨道一端的确切高度对于此实验无关紧要(请参阅变化关于如何测量这个高度的影响的想法.
磁悬浮列车在山上滑行
图9。磁悬浮列车轨道使用一些教科书放置在斜坡上。

 

收集您的数据

 

 

    1. 练习使用磁悬浮列车的塞子。轻轻地将火车放在轨道的一半左右,让它向下滑向塞子。火车在接触塞子之前应该停下来。你可能遇到几个问题,所以如果你需要在塞子工作之前调整一些东西,不要担心:
        1. 如果你的火车从轨道上跳下来,它可能会走得太快。尝试沿坡道向下开始,或减小坡道的角度。
        2. 如果你的火车在靠近制动器之前卡住了,那么火车和塑料角件之间可能会有太多的摩擦力。尝试稍微移开塑料件,或增加轨道的角度,以便火车滑得更快。
        3. 您的塞子和火车上的磁铁可能没有很好地对齐。这也可能导致火车从轨道上跳下,并且磁铁的侧面咬合在一起而不是保持间隔开。如有必要,调整塞子上的磁铁高度。

       

        1. 调整好轨道后,塞子工作正常,将其留在原位。使用钢笔或铅笔在轨道上标记适当的起始位置。

       

 

  1. 既然您已经看到塞子是如何工作的,那么当您在塞子上添加更多磁铁时,您会怎么想?
  2. 在实验室笔记本中创建一个数据表,如表1所示。

 

 

  磁铁之间的距离
磁铁数量 试验1 试验2 试验3 平均值
1        
2        
3        
4        

表1。示例数据表。

 

  1. 让火车沿着轨道滑下并停下来.
  2. 测量止动磁铁和列车前部磁铁之间的距离,如图10所示,并将其记录在实验室笔记本中。这算作一次试验.
测量磁铁之间的距离 图10. 测量两个磁铁之间的距离,用红色箭头表示。

 

  1. 再重复步骤4-5两次,总共进行三次试验。
  2. 现在,在塞子上添加第二块磁铁,如图11所示。它应该直接卡在第一块磁铁的顶部(如果磁铁相互推开,则翻转新磁铁)./LI>
2个磁铁的磁悬浮列车挡板
图11. 第二个磁铁加到塞子上。

 

  1. 重复步骤4-6,两个停止磁铁叠在一起。确保将所有结果记录在数据表中。
  2. 在塞子上添加第三块磁铁并重复步骤4-6。
  3. 在塞子上添加第四块磁铁并重复步骤4-6。
  4. 对于每个磁铁数量,计算三次试验的平均值并将其输入数据表。例如,假设对于一个磁铁,您测量的距离为18,22和20 mm。平均值为(18 + 22 + 20)÷3 = 20。询问成年人是否需要帮助计算平均值。
  5. 创建一个图表,其中垂直轴上的磁铁之间的距离和水平轴上的磁铁数量。如果您在创建图表时需要帮助,请参阅创建图表网站。
  6. 当您向塞子添加更多磁铁时,磁铁之间的距离如何变化?这是您根据有关磁铁的​​背景阅读预期的结果吗?

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变体形式

 

    • 在这个项目中,您使用了一摞书来提升轨道的一侧。你可以衡量当你创造一个更陡峭的坡道时会发生什么?对于此测试,您可以使止动器中的磁铁数量保持不变,并改变斜坡的角度。您可以选择使用量角器测量坡道的角度,或使用轨道远端的高度作为轨道”陡度” 的指示.
    • 在这个项目中,您每次都在赛道上的同一位置开始训练。更改列车在坡道上的起始位置会影响您的结果吗?保持磁铁数量和轨道角度不变,但将列车的起始位置更改为自变量。会发生什么?
    • 对于更高级的项目,您可以使用相机拍摄火车从斜坡上滑下来。当火车靠近塞子时拍摄特写视频。火车是否靠近塞子,然后反弹?还是它逐渐滑向停止?你能描绘一下塞子到塞子的距离吗?你能通过分析视频测量两个磁铁之间的最近距离和它们的最终静止距离吗? Tracker 是一个免费的视频分析程序,可以轻松测量距离。