[去科技馆学科学]气流的神奇力量
2018-01/总第262期
空气在流动过程中可以产生力的作用,出现很多有趣的现象。各种利用气流的设计,也是工程技术领域的重要成果。《义务教育小学科学课程标准》中要求学生理解“有的力可以通过看不见的物质施加在物体上”,认识到“工程是运用科学和技术进行设计,解决实际问题和制造产品的活动”,空气无色无形,发生作用的过程比较抽象,无法直观认识,而中国科技馆的几件展品给学生们提供了形象化的体验机会,可以更方便地了解气流产生的力的作用,以及飞机和风力发电这两种利用气流的技术应用范例。
空气炮
《西游记》中有一段铁扇公主的故事,神通广大的孙悟空第一次去借芭蕉扇时,被宝扇的风一下子吹出5万多里外,这可能是关于气流力量的最夸张的描述了。这种扇风形成的力,是空气传递力量的最直接形式,我们夏天使用的电风扇就是这样工作的。但有时候空气并没有真正运动到远处,而只是通过振动将能量传递过去。
图1 展品“空气炮”
中国科技馆“科学乐园”展厅中有件叫“空气炮”的展品,它看上去像是一个竖直放置、底面有个大洞的鼓,当观众用力拍打鼓面后,能看到前方5米外的猫头鹰模型身上的亮片开始晃动,从而体验到振动在空气中的传播。这是因为拍打鼓面时候,鼓皮变形使内部的空气被压缩和复原,产生往复振动,这种振动从洞口一直向前传递,使前方的空气形成疏密交替的压力波,到达目标处的铝箔条,将压力传给铝箔条,驱动铝箔条发生抖动。这种压力波在空气中传播的过程和声波类似,属于纵波,即波的前进方向与质点的振动方向在一条直线上。
中国科技馆的精彩科普剧《皮皮的火星梦》中还设计了一个大型空气炮,可以发射出水雾组成的环状烟圈,每次演出时效果特别震撼,给现场观众留下了深刻印象。
机翼升力
很多同学都会好奇为什么飞机能飞上天,它的升力从何而来。解答这个奥秘的关键在于飞机的翅膀——机翼,飞机的升力绝大部分由机翼产生。
图2 机翼的形状和升力原理
现代飞机的机翼形状并不是上下对称的,而是向上凸起的不对称流线造型。飞机前进过程中和空气发生相对运动,气流到达机翼前缘后,分成上、下两股气流,分别沿机翼凸起的上表面、平整的下表面流过,然后在机翼后缘重新汇合向后流去。机翼的气流从上面流过的路径较长,流速加快;而从机翼下表面流过的路径较短,气流流速相对较慢。根据伯努利原理(流体的流速越大,压强越小;流速越小,压强越大),机翼上方高速的空气压强要比下方低速的空气压强低,于是机翼上、下表面出现了压力差,垂直于相对气流方向的压力差的总和就是机翼的升力。这样重于空气的飞机就能借助机翼获得的升力,克服自身因地球吸引形成的重力,从而翱翔在蓝天上了。
机翼的主要作用是产生升力,以支持飞机在空中飞行,同时也起到一定的稳定和操作作用。在机翼上一般安装有副翼和襟翼,操纵副翼可使飞机滚转,放下襟翼可使升力增大。机翼上还可安装发动机、起落架和油箱等。不同用途的飞机其机翼形状、大小也各有不同。
中国科技馆3层“交通之便”展区的展品“机翼升力”就展示了机翼获得升力的原理。在长方形展柜内放置了2个同样材质和大小的机翼模型,其中一片是标准机翼局部的模型,另一个则是一个规则的长方体扁翼模型。两个模型上都装有连杆,可以使模型在静态和运动时均保持水平姿态。观众按下按钮启动装置,展柜一端的风扇朝带有机翼模型和扁翼模型的小型风力通道送风。随着风速增大,机翼模型会在气流带来的升力作用下慢慢抬起,漂浮在空中;而扁翼由于不符合空气动力学,所以不会产生升力,只能保持在底部原位置。观众还可以通过调节风扇转速改变风力大小,在通道旁的仪表上观察机翼的升力数值。通过体验和思考,加深对机翼升力原理和气流作用效果的了解。
风车森林
我们旅行时经常遇到壮观的风力电站,感受广袤旷野中的现代景观,它们在发电过程中没有任何排放和污染,是真正的清洁能源。当前世界最大的风力机组轮毂高105米,每支叶片足有80米长,相当于一架波音747客机的长度。风力发电机的叶片也采用了类似飞机机翼的流线造型,可以说飞机机翼设计理论为现代风电产业作出了巨大贡献。
图3 展品“机翼升力”
风力发电机主要由塔架、机舱、叶片、定子和转子等主要部件及系列控制装置组成。当风以一定的角度吹向叶片时,从叶片背面流过的气流速度较快,而从腹面流过的气流速度较慢,根据伯努利原理,叶片腹背的气流产生压力差,形成指向叶片背面的“升力”使叶轮旋转,因此被称为“升力型叶片”。这个过程中将风的动能转变为轮轴转动的机械能,再通过发电机中的电磁感应将机械能转化成电能,经过优化设计,风能转化成电能的效率已可达到40%以上。
图4 风力发电机结构和原理
为适应变化的风向,风力发电机的机舱可以在塔架顶端旋转,使风机始终朝向风吹来的方向;同时每片叶片也可以旋转,根据风力大小和发电需求,以不同角度迎向气流并调节转速,保证发电效率,在不需要发电时还可以将叶片调至特定角度进入保护状态,不管风多大都不会旋转。
图5 展品“风车森林”
为什么通常看到的风力发电机都是3支叶片呢?这是因为经过测试,单支、2支叶片在同样风速下,转速会比3支叶片快很多,因此噪音和振动也很大,会带来很多工程问题;如果从3支叶片增加到4支、5支,理论上能利用更多风能,但由于阻力增加等原因,实际的能量转化率会降低,相对大幅提高的成本来说是不划算的。
我国的风力资源极为丰富,绝大多数地区的平均风速都在每秒3米以上,特别是东北、西北、西南高原和沿海岛屿,平均风速更大,有的地方全年三分之一以上的时间都是大风天气,这些地区发展风力发电是很有前途的。近年也兴起了海上风电建设,既不占用宝贵的陆地面积,还能利用海面风力稳定、地形平坦无遮挡、大型零件运输方便的优势。
中国科技馆4层有件“风车森林”展品,设置了1台可转动风机,观众可以启动风机,双手握住握把调整风力大小和方向,吹动前方安装的不同尺寸、不同类型的风力发电设备模型,驱动叶片旋转,发电后点亮LED灯,直观认识风能这种取之不尽、用之不竭的清洁能源,了解风力发电设备的主要结构和工作原理。■
阅读排行榜
- 1[追踪]科技教育特色学校:普及STEM教育,培养具有中国心的学生——江苏省盐城市毓龙路实验学校
- 2[追踪]全国青少年科技创新大赛“十佳科技教育创新学校奖”获奖学校介绍:让儿童站立在科技教育正中央——清华大学附属小学
- 3“全国科普教育基地”优秀项目案例——上海植物园:“暗访夜精灵”夜间自然观察活动
- 4[追踪]“科技馆活动进校园”项目案例:科学有“为”,省力有“道”
- 5 让创新的智慧在科技实践活动中闪光 ——新疆兵团第五师小学
- 6[去科技馆学科学]流动的科学
- 7[追踪]第一届全国科创项目式学习方案征集活动案例:PBL项目式教学提高学生解决复杂问题的能力——为科技馆设计一件符合需求的蚂蚁观察箱展品
- 8“科技馆活动进校园”项目案例:立足场馆资源的教育活动实践——“展无止境”的实施与思考
- 9[追踪]全国青少年科技创新大赛“十佳科技教育创新学校奖”获奖学校介绍:打造科技育人特色 培养创新拔尖人才——黑龙江省哈尔滨市第三中学校
- 10[追踪]科技教育特色学校:引入科技活水 助开教育繁花
推荐文章
- [追踪]人工智能与项目式学习:设计一个有AI味的启动仪式道具
- [追踪]全国青少年科技创新大赛“十佳科技教育创新学校奖”获奖学校介绍:科技点亮梦想 创新引领未来
- [追踪]全国青少年科技创新大赛“十佳科技教育创新学校奖”获奖学校介绍:科技创新始于心 科创教育践于行——福建省厦门第一中学
- [追踪]全国青少年科技创新大赛“十佳科技教育创新学校奖”获奖学校介绍:让童年在创新中更美好 ——小学科技创新后备人才培养实践
- [追踪]全国青少年科技创新大赛“十佳科技教育创新学校奖”获奖学校介绍:科技创新育英才 多元开放助发展——天津经济技术开发区第一中学科技创新教育实践
- [追踪]科技教育特色学校:务实 创新 拓思维 展理想
- [追踪]科技教育特色学校:科技引领发展 创新成就特色
- [追踪]科技教育特色学校:智能筑梦未来 创新舞动校园
- [追踪]科技教育特色学校:创筑梦机器人 树科技兴校典范
- [追踪]科技教育特色学校:二十载深耕创新沃土 行五育厚植人才之树