旋風神龍

出自 全民科學平台
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原始設計者:吳原旭


目的

在炎熱的天氣裡,以資源再利用的方式,自行設計製作一部環保電扇,涼爽又不費能源。讓學生在設計及調整風扇的過程中,體會輪軸大小與轉速之間的關係,以及風扇扇面設計與風量的關係。

原理

  1. 扇葉曲面
  2. 輪軸原理
  3. 機械效率
  4. 摩擦力

競賽方式

  1. 活動一:單片風扇
    1. 使用材料
      1. 大會提供:免洗竹筷 40 支和橡皮筋 50 條(每隊製作兩個支架分別使用於活動一、二)、測風裝置及粗鐵絲(由大會佈置於競賽場地)
      2. 自備器材:單片風扇(事先製作一個)、轉動軸(事先製作一個,含活動二共需製作二個)、傳動帶、墊片、吸管、膠帶
    2. 競賽說明
      1. 由大會所發之免洗竹筷、橡皮筋於製作時間內製作一部支架(含活動二共需製作兩個支架),並裝上單片風扇及轉動軸、傳動帶。
      2. 若需要減少支架與軸心之間摩擦,限於現場製作時使用墊圈、吸管、膠帶三種自備材料,不可使用其他物品。
      3. 點到隊名後有 10 秒鐘準備時間,將單片風車置於桌面上中央界線之後,競賽中整部風車的最前緣不得越界,否則該次得點不計(以評審現場判定為準)但可繼續比賽。
      4. 自行放置粗鐵絲於測風裝置的掛勾上。
      5. 依照抽籤順序之第一位隊員操作,以手轉動轉動軸,經由傳動帶帶動風扇產生風,吹向測風板使其偏離達指定的角度 10°就算成功。
      6. 在競賽時間90秒之內可改變測風板掛勾上的粗鐵絲數量以挑戰更好的成績。不限次數,但以最佳的二次成績列入評比。調整粗鐵絲數量需自行調整,並不得推動使其擺動。
      7. 競賽中支架需放置於桌面上。若需要增加支架之穩定,最多只能以操作者一隻手抓住支架上的一支免洗筷,不得以其他方式固定支架。
      8. 要特別注意每一組件之固定以免發生危險,競賽中若光碟片脫離而飛出,則該項活動不得繼續比賽,該隊活動一所得點數以 0 點計。
      9. 90 秒後換第二位隊員操作,規則同上。
      10. 取得材料(筷子與橡皮筋)後,要檢查是否有明顯易斷者,10 分鐘之內可要求更換。製作時不得破壞(剪、切、削、磨等)。所有賽程結束後統一發還風扇,由各隊拆解清點後將竹筷繳還,以便回收再用。
    3. 得點標準:測風板懸線偏離 10°就算成功,紀錄掛勾上的鐵絲數量再加 2即為該次得點。每隊二人各取兩次最佳之成績加總即為活動一的得點 N1。
  2. 活動二:複片風扇
    1. 使用材料
      1. 大會提供:同活動一說明
      2. 自備器材:複片風扇(事先製作一個)、轉動軸(事先製作一個,含活動一共需製作二個)、傳動帶、墊片、吸管、膠帶
    2. 競賽說明
      1. 以大會所發之免洗竹筷、橡皮筋於製作時間內製作一部支架(含活動一共需製作兩個支架),並裝上複片風扇及轉動軸、傳動帶?
      2. 若需要減少支架與軸心之間摩擦,限於現場製作時使用墊圈、吸管、膠帶三種自備材料,不可使用其他物品。
      3. 點到隊名後有 10 秒鐘準備時間,將單片風車置於桌面上中央界線之後,競賽中整部風車的最前緣不得越界,否則該次得點不計(以評審現場判定為準)但可繼續比賽。
      4. 自行放置粗鐵絲於測風裝置的掛勾上。
      5. 依照抽籤順序之第三位隊員操作,以手轉動轉動軸,經由傳動帶帶動風扇產生風,吹向測風板使懸線偏離達指定的角度 10°(或超越)持續 3 秒鐘就算成功。
      6. 在競賽時間90秒之內可改變測風板掛勾上的粗鐵絲數量以挑戰更好的成績。不限次數,但以最佳的二次成績列入評比。調整粗鐵絲數量需自行調整,並不得推動使其擺動。
      7. 競賽中支架需放置於桌面上。若需要增加支架之穩定,最多只能以操作者一隻手抓住支架上的一支免洗筷,不得以其他方式固定支架。
      8. 要特別注意每一組件之固定以免發生危險,競賽中若有光碟片脫離或飛出,則該項活動不得繼續比賽,該隊活動二所得點數以 0點計。
      9. 90 秒後換第四位隊員操作,規則同上。
      10. 取得材料(筷子與橡皮筋)後,要檢查是否有明顯易斷者,10 分鐘之內可要求更換。製作時不得破壞(剪、切、削、磨等)。所有賽程結束後統一發還風扇,由各隊拆解清點後將竹筷繳還,以便回收再用。
    3. 得點標準:測風板懸線偏離 10°(或超越)持續 3 秒鐘就算成功,紀錄掛勾上的鐵絲數量再加 2 即為該次得點。每隊二人各取兩次最佳之成績加總即為活動二的得點 N2。
  3. 活動三:創意競賽自製一部環保風扇或風車,要自行設計,可以用任何的方式展現其風力、裝飾效果或其他妙用。
    1. 使用材料扇面限以廢棄光碟片加工製成,其餘組件材料盡量以回收再利用或生活中常見物品為佳。環保風扇可使用電池為電源或其他易取得之動力,但不得使用 110V(含以上)插座電源。風車則可用一般風扇(大會將提供一部一般型風扇備用),以展現作品效果。不限作品尺寸及材料數量。
    2. 安全規定:快速旋轉之組件須結合牢靠不得鬆脫,避免有尖銳之造型且邊緣須有防護設計(例如:以膠帶包覆、磨圓、加裝防護罩等),若光碟片已經有明顯裂痕請勿擅自啟動,須經評審檢查過並安全無虞之後才可操作評比。
    3. 競賽說明:
      1. 必須繳交設計說明書,內容 200 字至 1000 字否則視同無效,可說明設計理念、原理應用、材料運用之巧思、期望呈現的理想效果、實際上能達到的效果等。
      2. 評分方式:由以下評分要點中,分別給 1~5 分。加總後選拔最高分之數隊頒發最佳創意獎。
        • 說明書敘述之貼切性。
        • 能巧妙的運用回收資源使其發揮再利用之價值。
        • 能應用科學原理使作品達到較好的效果。
        • 結構堅固運轉穩定。
        • 整體造型美觀具藝術感。
        • 能利用簡單的材料巧妙的減少軸心與支架之間的摩擦阻力。
        • 能產生持續快速的轉動效果。
        • 其他獨到之巧思。

使用材料

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時間

  • 共 70 分鐘
    1. 製作時間:各隊 30 分鐘。
    2. 競賽時間:18 隊,共 40 分鐘。

評分方法

  1. 活動一:測風板懸線偏離 10°就算成功,紀錄掛勾上的鐵絲數量再加 2 即為該次得點。每隊二人各取兩次最佳之成績加總即為活動一得點 N1。
  2. 活動二:測風板懸線持續偏離(或超越) 10° 三秒鐘就算成功,紀錄掛勾上的鐵絲數量再加 2 即為該次得點。每隊二人各取兩次最佳之成績加總即為活動二的得點 N2。
  3. 「旋風神龍」單項得點= 2×N1+ N2。排序後再依照六等第計分法,決定各隊於本項競賽最後得分成績。
  4. 單項競賽優勝獎,僅取一隊。依六等第計分排名順序為第一名者獲獎,如有同分,則以活動二成績高者為優勝。
  5. 活動三:得點最高者,獲頒創意獎。此項評分獨立計算,不列入大會總成績。

其他

裝置與場地

場地佈置說明

長 60 公分;寬 40 公分(一般課桌即可)或以上之桌面,風扇(含支架各部分)最前端不得超過離桌緣 30 公分之中央界線(後緣或左右出界不違規),珍珠板自然下垂時板面距離中央界線 15 公分。周圍盡量避免風的影響或干擾。活動一、活動二使用同一場地。

安全檢查

每隊於報到時或製作期間依照大會安排檢查風扇及轉動軸之安全性,若有安全之虞則必須自行於競賽前改善,否則該項目請勿參賽。尤其注意光碟片是否有明顯危險之裂痕、尖角或鋒利邊緣。

給評審的建議

  1. 場地與測風裝置:
    1. 競賽於無風室內平整桌面上進行。若桌子尺寸大於 60cm×40cm 也可以,但須將界線及相對位置距離測量正確並表示清楚即可。
    2. 競賽場地周圍適當距離處管制,只有參賽者及裁判進入以免其餘人員干擾。
    3. 測風裝置:如下圖所示。以兩支細木條懸掛一片橫放的 A4 珍珠板,木條下端與珍珠板黏貼緊(可使用雙面膠或膠帶),木條下端可各旋上數組金屬掛勾用來放置粗鐵絲。木條上端須先固定一段 10 公分以上長度之吸管(可使用膠帶固定),再將吸管穿入粗直鐵絲,將鐵絲兩端固定在適當高度之支架上。各站之測風裝置需一致以求公平。
    4. 為方便判斷偏離角度,可在桌面上適當位置固定一小段柔軟有彈性的細彈簧,或以雷射光標定,來判斷測風板擺動的角度是否抵達標準。
    5. 評審最好戴上眼鏡或安全護目鏡,以防風扇組件鬆脫射出。

評審任務方面

  1. 建議設置 6 站,每一站 1 名裁判,除了計時並紀錄成功的得點數之外,還須注意以下事項:
    1. 製作支架所用之免洗筷、橡皮筋必須為大會所提供,其他自備器材須符合規定。
    2. 整部風扇(含各部分)之前緣是否越界,隨時提醒改進(後緣或左右出界不違規,可繼續比賽),越界時所得的點數不計。
    3. 只能以一隻手抓住支架上的一支免洗筷以協助穩定,不得以其他方式固定支架於桌上(操作者自行穩定支架,旁人不得協助)。
  2. 可安排於報到時或製作時檢查自備器材是否合規定,並作安全檢查,不合規定者告知改善,否則不得參賽。組裝完畢之後最好再確認一次。
  3. 安排統一計時人員可分攤各站裁判之工作,且能有效掌握其進度。

探究問題