尼尔·唐尼的圣诞老人雪橇实验

圣诞STEM挑战:圣诞老人的空中雪橇

图片来源:尼尔·唐尼

我们的STEM挑战将在2022年圣诞节短暂回归,万岁!这个周末,为什么不加入工程的乐趣,做一个圣诞老人的雪橇呢?

圣诞老人有一项大工作要做。一项计算表明,如果没有他的精灵团队和驯鹿群,圣诞老人将不得不以半光速旅行才能到达每个人。我们认为我们可以让工作变得更容易,使用螺旋桨而不是驯鹿推进的Aerosleigh。

但是雪橇有一个大问题:它们要在冰上或雪地上滑行。这些天我们有全球变暖:对鲁道夫来说是好事,但这是坏事,因为它正在融化冰雪!所以如果天气没有冰雪,圣诞老人能做什么呢?他怎么能在圣诞节给那些好孩子们送礼物呢?圣诞老人必须通过!但我们可能有解决办法:做一个空中雪橇,带上你自己的冰,把它放在雪橇和光滑表面之间的下面。

圣诞老人的空中雪橇实验

图片来源:尼尔·唐尼

摩擦力通常阻止物体滑动。阻止两个表面滑动的摩擦力是摩擦系数乘以把两个表面推到一起的力。关于摩擦的另一件事是它产生热量。力x距离=能量,摩擦力乘以距离=热能。冰的摩擦系数低得惊人,这就是我们想要使用它的原因,也是我们有了冰就不需要轮子的原因。这是怎么发生的?

维克多·佩钦科(Victor Petrenko)是一本关于冰的经典著作的作者,他揭示了冰摩擦低的原因。当物体在冰上移动时,冰会受到摩擦热的轻微融化,形成一层薄水层,提供持续的润滑。因为水的粘度很低,即使是很薄的一层也足以保证摩擦力很低。更妙的是,随着速度的加快,冰摩擦力会随着速度的平方根而减小。所以如果速度快了4倍,摩擦力就小了2倍。

现在在冰雪上行驶很困难。这就是为什么我们有带刀片的溜冰鞋,而不仅仅是平底鞋,以及为什么滑雪板有锋利的边缘。然而,如果地面上没有冰,而是车的底部有冰,你就根本无法驾驶!这就是为什么我们的机载冰雪橇必须沿着某种轨道运行。有两件事是半圆形排水沟和钢u型槽(用于保护嵌入抹灰墙的电缆)。排水沟工作得很好,但你必须确保螺旋桨不会撞到两边。通道的工作也很好,更小的允许使用更大的道具。

你需要一个足够大的雪橇,能装下圣诞老人,一两个小精灵,还有几袋礼物。巴尔沙木很好,因为它是一种很好的绝缘体,这意味着它不会融化冰,而且它很结实,很轻。你需要挖洞来保留下面的冰块。雪橇的中心部分可以由一根纵向切割的塑料排水管制成,它很坚固,让你有机会把电池放低,让重心降低。

圣诞老人的空中雪橇完成了

图片来源:尼尔·唐尼

玩具马达也可以,但不是功率最低的那种。试试由4-5节镍氢电池供电的3-6V电机。螺旋桨需要是一个低的“pitch”。螺旋桨的螺距是它每转一圈向前移动的距离,如果你想象它在超级柔软的黄油中旋转。一个间距为3英寸(75毫米),应该做,直径为4-6英寸(100-150毫米)。看看模型飞机和无人机螺旋桨。一个3英寸的pitch,螺旋桨在3000转/分的转速下可以产生高达150英寸每秒的空气爆炸,也就是4米/秒,9英里/小时。添加一个开/关开关,你就完成了。测试时间!

钢轨的长度可以重叠,这样雪橇就可以自由地从高到低,而排水沟也可以类似地重叠或使用夹式连接件连接在一起。它的速度有多快?好的加速度?螺旋桨的气流很好吗?需要更多或更少的电池或更换螺旋桨?

为什么不继续改进设计呢?你可以做得更大,试试双钢轨道,或者试试更大的动力,也许用导管风扇代替螺旋桨。那么无线电控制的停止/启动,甚至反向推力制动呢?

最后,你需要把一些圣诞艺术的想法融入到设计中。红/白配色?几个精灵、圣诞老人和礼物的座位?车头灯和仙女灯?铃儿响叮当吗?

如果你喜欢这篇文章,你会在尼尔·唐尼的书中找到更多有趣的科学东西,比如普林斯顿大学的《周六科学终极之书》,还有很多其他东西(以及《爆炸圆盘大炮》一书的免费副本),请访问www.saturdayscience.org.根据这个实验,尼尔目前的工作包括开发一种新的呼吸机系统,以支持呼吸困难的人-获得更多关于这个伟大项目的信息Exovent.org

有一本旧目录STEM-related挑战如果你正在寻找更多的选择,可以从过去两年里选择。的IET也有大量的资源成年人可以用它来让孩子们融入STEM世界。另外,请查看IET的圣诞老人工作坊

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