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[学堂]家庭作业---重力船的两次制作,暨摆线原理的应用 [复制链接]

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离线yangly6443
 

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— 本帖被 發騷友 执行加亮操作(2018-03-31) —
闲来无事,翻出过去给儿子做的家庭作业的照片了,给大家说说吧。
不知你们有这样的经历不:老师布置各式各样的花式家庭作业,然后基本都是家长完成。。。虽然我知道家长代工并不好。
这次,老师的作业是:做个“重力船”。

要求:
1. 船身不长于30厘米;
2. 用自身携带的水,排水为动力前进,水量300毫升,例如300毫升的一次性茶杯。
3. 能在户外水池运行,以前进距离最远者为胜。

好吧,破题:
利用船自带的水排水做动力,就是利用排水的作用力推动船身。
牵涉几个问题:
A,水箱要尽可能的高些,这样才有足够的势能转化为动能;
B,排水管喷水角度尽量水平,这样所有的动能才能转化为水平推力,Y轴矢量为0最佳;
C,船身要自重足够轻;
D,船体形状要流线型,减小阻力;
E,船体要足够稳定,足以支撑并抵抗高处的水箱摇摆问题;
F,有一定的抗风能力,能保持直行;
G,水管直径不能太大,或太小;

开始也没太当回事,简单想了下这些要求,打算糊弄过去算了。
我的首次制作方案为用泡沫做船体,双体结构,这样才足够稳定,阻力也小,比一艘胖胖的大船肯定要阻力小。
找来大泡沫,一次性杯子,PVC排水管,内径4mm。两张卡片做舵,两根地板螺丝做舵的轴。



用10mm宽1.5mm厚的铝板做支架,连接两个船体,黑色的AB胶粘的框架。
泡沫约15mm厚,在下部泡沫上开槽,铝板框架嵌入,里面双面胶固定铝框。



再削了两个一样的船体上盖,也是将近15毫米厚,用双面胶把上下两部分船体粘合起来。这样的船身会刚性比较好,重量也算比较轻了。
船底部也修下,流线型。



用1.5平方的电线,折了个支架,把杯子放上,拿浴缸里先试试,看看重心位置,还有大约水杯的高度。我基本设计高度为等边三角形。



舵用螺丝装上,杯底戳洞,插入水管,水管固定在铝框上,电线留长点是为了矫正喷水口角度的。






成品能跑直线,差不多从浴缸里跑一下是没问题的了,呵呵,交差了!晚上折腾的东西。



给儿子把船打箱带走,怕碰坏了,以为没事了呢。谁知,儿子放学回来说,老爸,这个船老师说不错,就是排水略微快了些。。。下周要参加学校的比赛。。。哦,我的天呐,这不是要重搞得节奏?这玩意去比赛,显然是不行的。我在文章开头就列出了几点分析了,看来是不好好改进下是不行了,东西不好的话,咱丢不起那人啊。

我们一点一点来分析,改进吧。
总体结构没问题,稳定度够,可以确定双体船结构不变;
重量,哪里可以减?铝板,电线,舵轴,都是金属,都必须减。
喷水管也可以改进,要可调排水量。
上碳纤,这个轻,强度足够高,1.5直径的碳纤棒。手头正好有这个。



吸管,嘿嘿,想不到吧?足够轻,强度也足够。这牌子挺不错的,吸管比较厚实,硬度够。



妙处在这里,这个是可以折弯并且定型的吸管,有用!



碳纤,老规矩,用AB胶固定,做成框架,中间的斜线很重要,可以保持整个矩形结构非常稳固。
吸管接起来,用胶带固定在碳纤框架上。这里要计算好位置的,吸管的可折弯位置要预留好(红圈里),等下向上折起即可,做杯子支架。



看,明白了吧?和上次一样,船体泡沫开槽,嵌入框架和吸管支架,吸管折弯,穿出来。里面都是双面胶固定。船身还是30毫米左右厚。太薄也不行。



侧面看看,很贴合吧?基本无缝,这就是开槽的必要性。



来称个体重:26克。还行,肯定比以前轻多了。



做杯子支架,易拉罐的皮剪的,很薄。把吸管头开槽,嵌入杯托。胶带粘下即可。
另外,我略微升高了支架高度,你可以看到支架上部我是拼接了的。两根吸管之间用短吸管插在里面做内衬,增加强度,外面胶带缠一下即可。这样是能可以增加一点。



舵,沿用了第一版的,没变,订书机大法,呵呵。不过不再使用铁螺丝做轴了,还是碳纤,卡对折,这好可以夹紧碳纤棒,还可以调节~这个结构不改了。但是,双舵改单舵了,减重。



杯子放上,装管子试试~
这里有一处亮点,一处知识点:
亮点是那个小螺丝,呵呵,要调节水量,细管子也不好找啊,咋办呢?我于是想到了调节螺丝的思路,用个螺丝,拧上,进入的深浅决定了出水量!有创意吧?哈哈



知识点是:最速降线问题,就是摆线问题。在一个斜面上,摆两条轨道,一条是直线,一条是曲线,起点高度以及终点高度都相同。两个质量、大小一样的小球同时从起点向下滑落,曲线的小球反而先到终点。这是由于曲线轨道上的小球先达到最高速度,所以先到达。然而,两点之间的直线只有一条,曲线却有无数条,那么,哪一条才是最快的呢?这条最速降线就是一条摆线。


摆线被定义为,一个圆沿一条直线运动时,圆边界上一定点所形成的轨迹。最速降线就是摆线,只不过在最速降线问题中,这条摆线是上、下颠倒过来的罢了。


为啥要说这个?因为我的排水管要尽量走摆线形状才最科学!

舵,最佳位置应该在排水管出口后方,但是船身长度所限,我不得不增加了一根碳纤棒,固定舵和排水管。



下水~调节好流速螺丝,收工~



我还是比较满意这个作品的,又折腾了一个周末。。。等AB胶干最费功夫了。
儿子很高兴得拿去学校显摆了,得奖是完全没有悬念的,呵呵,碳纤做船玩,在他们学校里应该没有第二个。
其实船体我本来也想改,想用碳纤加蒙皮结构做的,阻力会非常低,时间有限,估计周末难以完成的,只好作罢了。
我喜欢做得更好!

谢谢观赏!
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ch104517745 M币 +1 歡迎探討 06-16
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bhzjr M币 +2 優秀一切都是为了娃 04-23
王公子 M币 +5 一切都是为了娃 04-14
cc龙的传人 M币 +1 评论有人说能量守恒mgh=1/2×mvv,这是对的,但是最速曲线说的是用时间最短,最终速度都是一样的 04-13
hover_730 M币 +9 原来摆线还有这作用。 04-03
hongo M币 +9 厉害。现在的学校都是在考家长! 04-03
mengates M币 +15 優秀文章 04-03
飞向狙沙 M币 +13 謝謝分享 04-03
f@tfox M币 +8 做家长很用心赞一个;窃以为应该重点考虑船体阻力和管道内水的阻力 04-02
离线junerjoe

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小小的作品里,有大大的科学啊
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碳纤维这个厉害
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家长作业啊,拼爹时代。。。。。。。。这个泡沫船底阻力不小吧,不能表面光滑,也修整一下外形,弄得圆滑点也好
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加精的节奏,好详细。
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搞什么碳纤维蒙皮啊,透明胶包一下就好了

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摆线公式都用上,厉害
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离线yangly6443

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xyk123456:家长作业啊,拼爹时代。。。。。。。。这个泡沫船底阻力不小吧,不能表面光滑,也修整一下外形,弄得圆滑点也好 (2018-03-31 18:42) 

已经底部修过的,照片看不清,都是白色的。。。可惜泡沫无法抛光。

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离线yangly6443

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junerjoe:合格的老爸一枚[表情]  (2018-03-31 18:34) 

谢谢!你也会一样的

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