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提升太阳能风力船行进速度研究报告
提升太阳能风力船行进速度的研究报告
江阴市华士实验中学 姜帆 指导老师:朱志国
研究背景
我选择这个课题,是因为我校在中小学科技创新大赛江阴赛区选拔赛中,以优异的成绩成功入选,并有机会在北京参加总决赛。老师同学们这一次非常看好我们,相信我们能为学校再次争光。所以作为比赛团队一份子的我,带领参加本次比赛的其余同学,对本课题进行了一系列调查研究,并完成了这份研究报告。
2. 研究目标
改进并完善船体的各个部分,改善并熟练操控船体的方法和技巧,争取在两米长的水道中,将航行时间降低到5秒以内。增多对太阳能节能方面的了解,增强动手能力,在研究中发现问题,找出规律,并带动身边同学对科技制作感兴趣。
3. 研究对象
在江阴选拔赛中,我们采用的太阳能风力船主要有以下几个特点:0.5厘米厚度KT板材质的长方形船底(船头如竹筏般上翘)、马达居中前置、太阳能板居中后置、前窄后宽的尾舵、防贴边打转的塑料长条。
在两米长的水道中(水深约15厘米,赛道宽约 20厘米,出发点距后壁30厘米,实际赛道长1.7米)。采用100瓦的白炽灯作为光源。一艘做工精致,发挥正常的此船成绩,平均时间为8秒。
4. 研究方法
实验法、对比法、查阅资料法、走访询问法等。
5. 研究过程
在选拔赛中,来自不同学校的队伍的参赛作品外形上各不相同,速度上也各有差异。于是在老师和队友们的共同协助下,并结合我们的作品,我列出了以下几个可以改进的地方:
①船底的形状,材质
②马达和太阳能板的放置
③扇叶的形状
④白炽灯的照明方式
船底的形状,材质
队员们查阅资料,各出己见,船底的样子五花八门,以下是几种操作可行的方案,我将每艘船都相同的马达和太阳能板,用了相同的的方法做了实验并做成了表格:
“竹筏形”
主体是长方形,前部略微弯起,如竹筏状,两侧用多余的KT板膜包裹,使其平滑,减少与赛道壁摩擦的阻力,船尾加上一塑料尾舵。
此船航行平稳较慢,不摇晃,不易偏,不易减速,起步慢,易贴边,贴边速度明显减慢,船体运动方向不发生明显改变,速度稍慢贴边运动,但不停止航行。平均速度为8秒。
“菱形”
主体为菱形,此船底切割时要将美工刀偏向内,使切出来船底的横截面如同一个上宽下窄梯形,类似于快艇两侧,船尾加上一塑料尾舵。
此船航行较快,不摇晃,容易偏,容易减速,起步快,在后半程易贴边,贴边速度明显减慢,船体运动方向发生明显改变,缓慢贴边运动,但不停止航行。平均速度7.5秒。
“三角形”
主体为三角形,此船底切割时要将美工刀偏向内,使切出来船底的横截面如同一个上宽下窄梯形,类似快艇两侧,船尾加上一塑料尾舵。
此船航行较快,略摇晃,容易偏,容易减速,起步慢,不易贴边,贴边速度明显减慢,船体运动方向发生明显改变,缓慢贴边运动但不停止航行。平均速度7.5秒。
“H形”
主体是有两条打磨圆润的细长条,材质是泡沫塑料,长宽高分别是19cm、0.8cm、2.5cm,和一块小长方形的KT板拼接而成,成腾空状,船尾不加尾舵,两条塑料长条平行排放,起到了尾舵的作用。
此船航行较快,略摇晃,不易偏,不易减速,起步快,易贴边,贴边速度明显减慢,船体运动方向不发生明显改变,速度稍慢贴边运动,但不停止航行。平均速度7秒。
综合实验结果,各种船体优劣情况如下表:
摇晃 偏向 减速 起步 贴边 时间 排名 竹筏形 √ √ √ × × 8 2 菱形 √ × × √ × 7.5 3 三角形 × × × × √ 7.5 4 H形 × √ √ √ × 7 1 ×:不好 √:良好
马达和太阳能板的放置
我和队友在上述实验中,发现放置马达的一侧,吃水相对于另一侧很深,并会对船体航行速度带来很大影响。我和老师队友在纸上涂涂画画,并查阅了许多关于快艇外观设计的资料,通过理论的阐述来制定方案,以下是我们商讨过程中的方案以及画图:
马达在前,太阳能板在后,两者之间距离拉长,以便操控白炽灯。此方案操控简单,但马达较重,重心偏前,前部吃水深,阻力偏大,扇叶产生的风力也会受到白炽灯的阻挡,影响速度。
马达在后,太阳能板在前,两者之间距离拉长,以便操控白炽灯。此方案操作略难,但马达较重,重心偏后,产生前桥后倾的效果,像一艘快艇,阻力较小,扇叶产生的风力不会受到白炽灯的阻挡,影响速度。
两方案相比,选择②号方案
(3)扇叶的形状
扇叶是小船作重要的部分之一,起到了关键作用,而扇叶的形状五花八门,所产生的风力也各不相同。队友们各自收集来五种扇叶,一一作了比较和实验。
①大扇叶,两个叶片,叶片细而长而薄。带动慢,转速低,风力小。
②中扇叶,三个叶片,叶片细而长而薄。带动快,转速中,风力中。
③
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