遊龍戲鳳

出自 全民科學平台
於 2019年4月25日 (四) 01:48 由 劉恩佑 (對話 | 貢獻) 所做的修訂
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原始設計者:吳原旭


目的

以簡易材料設計並製作線控飛機,使其能在電扇風力中滯空、載重、調整位置,藉以體會飛機(風箏)飛行之部分原理並享受操控飛行之樂趣。

原理

力平衡:要使飛機維持靜止狀態,必須使作用在飛機上的所有作用力相互抵消,也就是合力必須為 0。穩定平衡:當飛機的平衡狀態被破壞時,若能自動產生恢復力(或力矩),則飛機能回復原來平衡。反之若無恢復作用則飛機將持續偏離原來的狀態。 斜面分力:當一股氣流斜向衝擊在一平面上時,將提供平面一正向力(垂直平面的作用力)。 白努力原理:流體通過物體表面時將使表面的壓力降低,且流速愈快壓力愈小。 平行導流:一般電扇吹出的氣流強度不均勻且方向不平行,因此飛機很容易就打轉並偏離。使氣流通過平行導流板可調節風向趨於平行。 轉動平衡:若要使飛機保持穩定不旋轉,必須使作用在飛機上的力矩相互抵消,也就是合力矩為 0。

材料總表

大會提供

競賽製作

每隊在 30 分鐘內製作兩部「飛機」。 一部飛機限一片 A4 珍珠板製作,並以大會提供之細線繫住飛機上一點(自行決定位置),線的另一端固定於導流板上緣一定點,未開電扇時飛機自然下垂位置必須低於導流板下緣。飛機上可自行附加重物以調整重心,可在機身固定一掛勾以便於競賽中加掛重物(大會提供之迴紋針)。

競賽方式

活動一『升力大挑戰』

器材

  • 大會提供:A4 珍珠板 2 張、細線 1 條約 3 公尺、電扇、大迴紋針 1 盒、裝礦泉水的紙箱 2 個、導流板、配重、切割墊、小刀等工具。

競賽說明

  1. 競賽場地:電扇一部,中心離地面高度約 60 公分,風向水平,參賽隊伍自行放置導流板,但不得改變電扇位置及水平吹向。旁邊準備大型迴紋針一盒。風扇前至少保持 2.5 公尺其餘約 1.5 公尺以上淨空,只准參賽人員與裁判可以進入。(如下圖)

  1. 競賽時間:每隊 4 分 30 秒。
  2. 競賽方式:飛機能成功的掛載重物愈多成績愈高。
    1. 在 30 分鐘製作時間內完成 2 部飛機,並將第一部飛機以線固定於導流板上緣,準備進行比賽。
    2. 叫號後開始計時並開始動作,將導流板放置於電扇前,可以大會準備的礦泉水紙箱墊高,也可以使用自備物品墊高高度。隊友可協助以上準備工作,但隊友離開後才可以進行下一個步驟。
    3. 開啟電扇確定飛機仍能下垂於導流板下緣以下位置持續 5 秒鐘不會被風吹起來,爾後才能繼續競賽。
    4. 提起飛機至適當位置釋放、飛機必須能滯空 10 秒鐘以上才能繼續競賽,否則須重新提起飛機測試。
  3. 將飛機抓住,在飛機掛勾上加掛重物,放手後飛機必須能滯空 10 秒鐘以上才算成功,否則算失敗。
    1. 不管成功或失敗,只要放手便算一次測試。以手托住重物或飛機試探能否滯空也算放手,計一次測試。
    2. 若未抓住飛機就加掛重物,每加掛一個便算一次測試。
    3. 每人在規定時間內最多可測試 4 次,並以載重物最多的三次列入計分。若同樣載重不再調整亦需再計時 10 秒才算另一次成功。
    4. 2 分 30 秒之後須撤換成第二部飛機,由第二人操作以上(3)~(8)之步驟。但第二人只有 2 分鐘時間。
    5. 結束之後請於 30 秒內撤離完畢,並將重物、紙箱放回原處。
  4. 評分標準:
    1. 每人完成以上程序(3)、(4)均各得 1 點。
    2. 成功加掛之迴紋針數即為該次得點。(自行準備之配重、掛勾不列入得點)。
    3. 每人取三次成功載重點數最高者,再加上(1)、(2)項得點即為該 隊活動一總得點。
    4. 所有參賽隊伍活動一得點排序後,依六等第計分法給分,才為各隊活動一的得分。

活動二『操控自如』

器材

  • 大會提供:電扇、薄板、圓柱形容器、細鐵絲每隊 4 支、裝礦泉水的紙箱 4 個。
  • 自 備:製妥之線控飛機一部、導流板裝 置:所有細線都必須通過導流板上(支架上)的一個鉤或環,鉤或環直徑不得超過 2 公分。

競賽說明

  1. 競賽場地:同活動一之場地,參賽隊伍自行決定放置導流板與薄板之位置,但不得改變電扇風速位置及角度。(如下圖)

  1. 競賽時間:每隊 4 分 30 秒。
  2. 競賽方式:能熟練控制飛機使其改變位置,甚至能將容器內附鉤環的重物鉤起,並依序放於容器外之指定區。能在時間內完成愈多任務者成績愈高。
    1. 叫號後開始計時並開始動作,導流板與薄板可墊高。放手之後便不得碰觸導流板及薄板、容器,直到換人操控之前才可以更動。隊友可協助佈置。
    2. 滯空 5 秒鐘之後由容器上空依序到[前區]、[後區]、[左區]、[右區]。每次均需停留 3 秒鐘,且均需要返回容器上方之後才可以繼續。(以掛鉤的尖端為判斷位置的依據)
    3. 以飛機上的掛勾吊起容器內的附鉤環重物,且依序將重物卸於[前區]、[後區]、[左區]、[右區]。
    4. 判斷重物是否成功放入指定區內,只要重物的任何部份在界線內即算成功。
    5. 若已經鉤離容器而放錯位置,不需再調整,但下一個重物仍需繼續完成之前的任務。
    6. 若一次鉤起兩個重物,仍以成功的一個計分。
    7. 4 個重物都離開容器之後才可以一起重新放回容器中繼續比賽。若提早重置每一次扣 0.5 點。
    8. 2 分 30 秒鐘換人之後由第(2)步驟開始。
    9. 結束之後請於 30 秒內撤離完畢,並將紙箱、薄板放回原處。
  3. 評分標準:
    1. 每人使飛機持需滯空 5 秒鐘可得 1 點。
    2. 每人完成以上程序(2)之每一區往返均可得一點。
    3. 每人完成以上程序(3)之鉤起重物使離開容器均可得一點。成功卸下重物於指定區,再得 2 點 (若卸下重物在容器外非指定區只能再得 1 點) 。
    4. 完成(3)之任務,可再重覆程序(3)之操作,成績繼續累積。
    5. 將兩人所得點數相加,並扣除提早重置重物所扣的點數即為該隊總得點。
    6. 所有參賽隊伍活動二得點排序後,依六等第計分法給分才為各隊活動二的得分。

活動三『創意競賽』

  1. 創意作品:不限材料,製作線控飛機、風箏等風動器械一部,可自行決定線控之各項功能,可使用活動中大會提供的電扇等設備來示範說明,也可以自備電扇等配件以展現其功能。
  2. 設計說明書:須附創意作品設計說明書,字數 100 字以上。內容說明設計的靈感、理念、功能、操作方式、取材、更長遠的理想等。
  3. 評選重點:
    1. 設計之創意(尤其是應用風力之創意):30%
    2. 線控效果:20%
    3. 取材之普遍性、適切性:20%
    4. 整體美觀:15%
    5. 說明書之充實、流暢及貼切:15%

時間

製作時間(含說明及領取材料):30 分鐘 評審時間: 18 隊共 40 分鐘。

總評分

活動一、二分別排序以六等第計分後,兩部分的分數相加即為本項目成績。最高分者若不只一隊則以活動一成績較佳者為第一名,可獲單項冠軍。創意競賽成績不併入大會獎計分,另外頒發數名創意獎。

給評審的建議

  1. 場地方面:
    1. 用電源方便,無風之室內、外均可。
    2. 建議活動一設 4 站;活動二設 4 站。站與站之間間隔至少 1.5 公尺,風扇前至少留 2.5 公尺空間。
    3. 避開冷氣口或門窗口,且電扇方向一致以避免互相干擾。
  2. 評審任務方面:建議每一站 1 名裁判計各項得點及得點時間,另有一名裁判負責所有站之統一計時2分30秒換手及4分30秒下場。
  3. 其他注意事項:
    1. 須將電扇穩固墊高至中心離地約 60cm,不可擋住電扇進、出風口。
    2. 於製作期間儘早告知出場順序及哪些隊伍先比活動一,哪些先比活動二,以方便將飛機安裝到導流板上。
    3. 先比完活動一(或二)者,至少留有 5 分鐘以上的時間調整飛機以準備活動二(或一)之比賽。
    4. 各隊將導流板及薄板放至定位的時間已包含在 4 分 30 秒之時間內,不需要另外加。但是每隊比完後必須要求盡快撤離,並將場地(含重物等)完全恢復原狀後才統一進行下一隊的計時開始。
    5. 各隊佈置導流板與薄板及撤場等允許隊友幫忙,但佈置好之後就必須離開。
    6. 活動二中裁判判斷時間,可以喊「好」的口令以告知隊員繼續下一個動作。

探究問題