物理气流陀螺效应对球盘运动之交叉影响.doc

中和高中 作品說明書 科 別 : 物理科 作品名稱 : 氣流、陀螺效應對球盤運動之交叉影響 關 鍵 詞 : 陀螺 、 角動量、 卡門渦列 、Magnus效應 : 高一 106班 作 者: 1.林玟君 2.林政榕 指導老師: 鄭致鍾 編 號 : 氣流、陀螺效應對球盤運動之交叉影響 摘要： 棒球的變化球有曲球、下墜球、上飄球和蝴蝶球，蝴蝶球與其他變化球的差異就在不轉與轉；若不轉的話，則靠著卡門渦列尾流就得到飄忽的軌跡；若轉的話，會因轉的方向不同而得不同轉彎的飛行效果，即熟知之伯努利定律或Magnus效應。其他球類運動如足球、排球、乒乓球等的行跡變化原理與上述是互通的，也是靠不轉與轉來達成。飛盤與球體的形體不一樣，其若不轉就飛不起來，若旋轉則可得平衡的飛行，也會轉彎，但轉彎方向跟棒球相反。棒球曲球是繞著垂直於前進方向的軸旋飛，美式橄欖球則繞著前進方向軸旋飛，飛盤平飛大都繞著垂直地面的軸旋飛，這些全都像陀螺般旋轉，這三者旋轉作用可能不同，而球與盤的旋轉或不轉的結果確定關係到周遭氣流，除此之外，旋轉的陀螺效應對整體飛行會有何影響？蝴蝶球是不是因不轉就沒有陀螺效應才不穩定？強投手的變化球近身突然轉彎或下墜或上飄是何道理？其中有何特質互通？我們希望透過實驗找到依據來證實氣流、陀螺效應對球類及飛盤運動的交叉影響，藉此了解這些物理現象並加以合理解釋，相信對學習體育課有精進的幫助。 研究動機： 速度差變壓差的伯努利定律及旋流造成轉彎的Magnus效應，使旋轉的棒球產生不同的變化球，如曲球、下墜球、上飄球等，這些現象同樣發生在排球、足球、乒乓球、高爾夫球上，旋轉的棒球造成轉彎，而且彎得巧，尤其是近身才突然轉彎者方能欺敵，這種奇妙現象如何做到。有時轉的運動呈穩定軌跡，如美式橄欖球或來福線子彈的前進，但採同旋轉方式的日本投手之魔球，會不會有抑制打擊者效果？不轉的蝴蝶球會亂飄，打排球開球者常用大巴掌出擊使之不轉，產生球路亂飄的現象又如何合理解釋？飛盤因旋轉而得浮力及穩定的滑行，但尾段的飛行卻與旋轉方向相反的方向偏彎下降，竟與球類不同，令人好奇。水平旋轉的扯鈴不知能否帶來新啟示，我們都想好好了解。 以上恐怕不是僅靠壓差氣流就可理解，其差異也不僅僅在轉與不轉，除Magnus效應外，似乎還有其他力量在左右其運動，是一般書本所忽略，也許還有其他效應，如陀螺、卡門渦列、剝離、速度等混合交叉影響，還有空氣的密度與濕度，上述因素相當雜亂，擬合理簡化後，藉由不同試驗的進行來剖析，相信過程會很有趣，值得探討。 圖1 棒球投手旋球刁鑽 圖2 橄欖球傳球直旋易接 圖3飛盤旋浮而穩定滑行 圖4棒球曲球繞著垂直前進軸旋飛，橄欖球傳球繞著前進軸旋飛，飛盤繞著垂直地面軸旋飛 圖5 垂直旋轉的手動陀螺 圖6扯鈴的定軸水平旋轉 圖7 用大巴掌打排球的蝴蝶球 研究目的： 在流體中，以不轉方式的物體前進運動，觀察其軌跡，推論蝴蝶球的原因。 觀察旋轉運動探討陀螺現象，尋求陀螺與旋轉球體或盤體之運動關連性。 探討棒球曲球及飛盤運動在飛行後期時才發生變化軌跡的原因。 在飛行後期，飛盤跟棒球一樣會轉彎，探討造成兩者轉彎方向不一樣的原因。 綜合相關物理現象，統一解釋氣流、陀螺效應對球盤運動之交叉影響。 實驗器材： 水中不旋轉之投體 在水中實驗，觀察不旋轉投體之運動軌跡，器材約如下：玻璃珠、直徑10公分之大口玻璃量杯一個、長柄湯匙、圓靶、記錄表。 流速量測 在空氣中實驗，量測旋轉之棒球與飛盤的表面空氣流速，器材約如下：風扇、手執型電鑽機、棒球附轉軸、飛盤附轉軸、測風速儀、記錄表。 觀察各種旋轉運動所需器材，儘量找現成或市面品，器材約如下：甩繩陀螺、扯鈴、陀螺儀、迴旋儀與飛盤。 研究過程及方法： 水中實驗， 目的為求證不轉之玻璃圓珠在流體運動的結果，方法訂定如下： 靶心直徑近似玻璃圓珠的寬度，靶圈寬為該寬度之一半，共六圈，貼杯底。 量杯內之水要儘量保持平靜後才可進行投放落體的動作。 先置玻璃圓珠於量杯正上方並瞄準靶心，浸到水面下後，才放手。 盯住玻璃圓珠第一時間著靶區碼，記錄之，並從垂直側觀察落體行徑。 每用長柄湯匙取回玻璃圓珠，至少等兩分鐘，讓量杯水儘量保持平靜後再續作，連作一百次。 製作統計圖表，分析實驗結果。 空氣流速量測 本實驗目的為求證棒球或飛盤的不同部位流速所造成壓差與運動方向的關係。迎風空氣中，測量旋轉與不旋轉的棒球或飛盤的不同部位之流速，並記錄之。 風吹之動作係利用取下面網的電風扇進行，以減少擾流，每次試驗前，先確認固定風速後，記錄之，才開始放入測試件，將之置於氣流最均勻處，再伸入測風儀探棒量測棒球或飛盤的不同部位，取得流速，依填表記錄下來。測試件有兩件： 棒球附轉軸 飛盤附轉軸 上述兩件測