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【Gravity】Mind+掌控板进阶教程-项目十三 风帆车
EVE EVE 2019-11-06 15:39:44
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简单

项目十三 风帆车

在新西兰的海边,有一项刺激的冒险运动——风帆车。风帆车实际上是一种卡丁车,在此基础上加上了一块帆,起风的时候,它可以借助风力极速前进,乐趣十足。

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在这个项目中,将制作一辆风帆车,并探究如何让它跑的更远。
如何一步一步完成项目呢?一起来头脑风暴吧!


头脑风暴

问题清单

1、如何制作一辆车呢?

2、小车轮子是固定在车上的吗?如何让轮子转起来呢?

3、帆是风帆车捕捉风能的重要工具,怎么制作帆呢?

4、由于自然风时有时无,时大时小,且风向不定,用来驱动车辆难顺人意,怎么保证有稳定的风源呢?

5、在风力不变的情况下,猜想一下,影响风帆车行驶距离的因素会有哪些?是帆的大小、位置、形状吗?还是车的重量?

6、尝试就问题5提出一种假设,并通过实验的方法验证自己的假设。


核心知识点


在这个项目中,为了便于了解风的产生和风推动风帆车前进的原理,先来简单学习几个概念。


压强(结合物理学科)

物理学中把垂直作用在物体表面上的力叫做压力。压强是表示物体单位面积上所受力的大小的物理量。压强是用来比较压力产生的效果,压强越大,压力的作用效果越明显。如下图,图左受力面积小,压强大,桌子陷的深;图右受力面积大,压强小,陷的浅。

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压强在固体、液体、气体中都存在,气体中的压强称为气压。我们知道,风是由空气流动引起的一种自然现象。而空气的流动主要是由气压差引起的,这又是为什么呢?


伯努利原理

1726年,丹尼尔·伯努利首先提出:“在水流或气流里,如果速度小,压强就大;如果速度大,压强就小”,我们称之为“伯努利原理”。比如拿起两张抽纸,往中间吹气,会发现纸不但不会向外飘去,反而会被一种力挤压在了一起。因为两张纸中间的空气被我们吹得流动的速度快,压力减小,而两张纸外面的空气没有流动,压力比内侧大,所以外面力量大的空气就把两张纸“压”在了一起。这就是“伯努利原理”原理的简单示范。

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同样,在大气中,由于各种原因,不同地方的气压不相同,气压差会导致气体从压强大的地方流向压强小的地方,所以产生了风。大自然的风总是飘忽不定,难以捉摸,所以聪明的人类发明了电风扇!


为什么风扇的叶片是斜的呢?

想一想,在闷热的夏天,打开电风扇,吹着悠悠的凉风,多么惬意!为什么风扇可以产生风呢?和扇叶的形状有关系吗?试想一下,如果风扇的叶面变成平的,还会产生风吗?

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我们知道电风扇的扇叶不是平的,是有一定弯曲的,当风扇转动,叶面增强了风扇前端的空气流速,从而造成两边空气压强不同。根据伯努利原理,风扇前后压强不同,加快后面的空气向前流动,就会形成向前的风!那为什么风扇前面有风、后面没风呢?那是因为前面的风比较集中,感受的风大,而后面流入的空气来源范围大,流速比较慢,人不太感觉得到。 


规划方案


功能分解

在这个项目中,为了让风帆车可以顺利跑起来,需要制作一台风扇提供风源。然后再制作一台风帆车,借助风力行驶起来。在这个过程中,我们将会探索如何延长风帆车的行驶距离,并通过实践制作一辆能跑的最远的风帆车。

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构造外观

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问题记录

在后面项目实现过程中,可能会遇到各种各样的困难,尝试在下表中记录你遇到的问题和解决办法,便于以后出现类似问题时能更好的面对。

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功能实现
功能1:制作小车

为风帆车制作一个小车底座,可以采用四轮车的结构,也可以是三轮车。

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制作时可以使用平时生活中常见的各种材料,比如轮子可以用饮料瓶盖。

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需要注意的是,车轮一定要可以顺滑的转动,否则车轮卡的比较紧的话,即使有风,小车也很难前进。


功能2:制作风帆车

为小车加上一面帆,小车就可以在风中行驶啦!可以将纸或者布剪出三角形、四边形或者其他形状作为帆,然后固定在小车上,完成风帆车的制作。

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功能3:制作风扇

从前面的分析我们知道,在制作扇叶时,要让扇叶弯曲一定的弧度,这样才能产生向前的风!使用电机为风扇提供动力。
连线图:

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扇叶的制作方法有很多,比如使用纸片、塑料瓶等。注意将电机固定到风扇上,并搭建一个牢固的底座。

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在实际操作时,由于电机转速不够,产生的风力会比较小,有什么办法可以加大风力吗?
或许可以考虑做一些提高风扇转速的装置,比如齿轮加速、滑轮加速等;或者改善扇叶,适当增加扇叶数量、增加弯曲程度。大家不妨动手试试吧!
打开做好的风扇,让你的风帆车在风中驰骋!注意调整帆的角度,获得更大的风力!


功能4:实验探究:如何延长风帆车行驶距离?

风帆车借助风力就可以行驶,如何延长它的行驶距离呢?改变帆的大小、位置、形状或者车的重量会有影响吗?尝试提出一个假设,然后通过实验验证你的假设。因为这里很多因素都会影响行驶距离,所以采用“唯一变量原则”,即只有一个变量而排除其他因素的干扰,从而验证这个唯一变量的作用。
比如,提出假设:帆变大可以延长行驶距离。接下来,验证假设:制作大小不同的帆,安装在同一辆小车上,保证其他条件不变,然后多次实验,在表格中记录对应数据。

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你也可以提出其他的猜想,然后通过这样的实验方法来做验证。对于上面这个假设,在实际操作过程中会发现,帆的面积比较小的时候,行驶距离短,随着面积增大,行驶距离变大,但是当帆越来越大后,行驶距离又会变短。
思考一下,为什么积极的影响会变成消极的影响呢?


拓展研究:逆风航行

过去的帆船可以逆风航行吗?尝试查阅相关资料,了解帆船逆风航行的原理。再思考一下,风帆车是否也可以逆风行驶呢?


评价与反思


与人分享快乐,能产生更多快乐,尝试与身边的朋友一起制作风帆车,看看谁得小车跑的最远!你还可以在DF创客社区中分享作品,听听更多人的建议!
社区网址:www.dfrobot.com.cn


自我反思

梳理自己设计项目的思维逻辑、项目在执行层面的问题和经验等等,可以帮助我们形成学习的闭环,加深在项目进行的过程中对知识点和内容的理解,找到可以改进和提高的地方。

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Makelog作者原创文章,未经授权禁止转载。
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