飞盘漩涡

来源 :发明与创新·中学生 | 被引量 : 0次 | 上传用户:heavenlast
下载到本地 , 更方便阅读
声明 : 本文档内容版权归属内容提供方 , 如果您对本文有版权争议 , 可与客服联系进行内容授权或下架
论文部分内容阅读
  当一块垂直板部分浸入水中并垂直于板面移动时,会在水面形成一对水涡。我通过实验研究了影响水涡运动和稳定性的参量,并对实验结论的应用进行了拓展分析。
  一、实验器材
  矩形浮板、三角浮板各一块,放满水的水池。
  二、实验原理
  流体以一定速度绕过物体时,物体后部将出现两列交替排列的水涡。这种水涡被称为卡门涡街,本实验的原理与之类似,即处于流体中的物体,只要与速度垂直的面上存在因流体流动而产生的压力差,就可以产生水涡。
  根据角动量守恒定律,质点对固定点的角动量对时间的微商,等于作用于该质点上的力对该点的力矩。在本实验中,可理解为角速度×旋转惯量=恒值。
  由于在物体运动速度较慢的情况下,流体对其阻力正比于V、和黏滞性(V、S分别为物体运动速度和横截面积),所以本实验以V、S、温度(黏滞性)为参量进行研究。
  三、研究过程
  1.结论推测
  水涡是如何形成的?假如不受任何干扰,水流会沿着从某一中心出发的放射状线条流入,速度方向指向中心。由于角动量守恒,围绕漩涡的水的角速度相同,靠近中心的水角动量小,而离中心远的水角动量比较大。当水体内部发生对流时,原本靠外的水向水涡中心移动,所以这些水的角速度变得更大。因此,水涡得以形成。
  由于水涡持续的时间与诱导速度有关,且其获得的动能全部来自浮板所受阻力的反作用力,所以推测水涡持续时间正比于V、 和黏滞性。
  2.实验过程
  在浴缸中注入温度为30℃的水,静置5分钟。将矩形浮板垂直插入水中,沿水平方向移动一段距离,随后立即抽出。可以看到水面上形成一对水涡,其中一个顺时针旋转,一个逆时针旋转(本实验中的水涡方向具有随机性,受地转偏向力的影响极小,与浮板的初始运动方向有关),水涡持续约20秒后消失。以此实验为对照实验。
  在第一次实验后将水静置2分钟,分别以较慢或较快的速度重复实验。结果发现,当以较慢的速度拨动浮板时,仍形成一对水涡,持续时间约为5秒。当以较快的速度拨动浮板时,不会形成水涡(此处考虑到水池较小,可能用力较大时水涡易受来自池壁反弹的水波影响而被破坏)。
  第二次实验后再将水静置2分钟,更换三角浮板重复实验,发现仍能形成一对水涡,持续时间约为10秒。
  第三次实验后放掉熱水,更换与室温相同的冷水。重复第一次实验,发现这次形成的水涡最稳定且持续时间最长,将近1分钟后才消失。
  四、实验结论
  上述实验结果表明,水涡运动的持续时间与浮板的速度、横截面积以及水的黏滞性(温度越低黏滞系数越大)成正比(定性)。水涡在流体绕过物体边界时产生,流体黏性是水涡产生和消失的根本原因。
  在物体尾部有部分流体不能参与主流方向的运动,而被主流带动产生水涡,水涡会消耗流体的能量或增大物体运动的阻力,因此可将物体平直的尾部改成圆滑状,即所谓的“流线型”,以减弱尾部水涡。
  五、拓展研究
  以上结论是否同样适用于气体?答案是肯定的。
  对于现代的超高层建筑来说,风产生的类似气体漩涡(为卡门涡街的一种)是一个巨大的安全隐患。当风在建筑物的右后方与左后方交错形成漩涡时,建筑物就会左右摇晃。
  为何会产生这种摇晃?通常来说,建筑物都有自己固有的振动周期,它随楼层高度的增高而变长。卡门涡街的形成周期则随风速的变快而变短,并随建筑物的宽度变窄而变短。当超高层建筑的固有周期与卡门涡街的形成周期相同时,建筑物的振幅就会扩大,即产生所谓的“共振”现象。
  著名的迪拜塔借助其独特的外形,使卡门涡街的形成周期随高度的不同而错开,可避免产生共振效果。
  下图探究了超高层建筑的外形与风所导致的振动力之间的关系(在统一风洞中以相同高度不同形状的3D打印模型为标准)。
  黑色为与风向垂直方向上的作用力,灰色表示风向方向上的作用力。
  其中,类别11为迪拜塔模型(退台形),类别14为环球金融中心模型(开槽型),类别3与类别10分别为圆柱形、锥形。超高层建筑的理想外观模型由此可见一斑。
其他文献
2017年是各项科技如火如荼发展的一年,从人工智能(AI)到无人驾驶汽车,从物联网发展到声控装置进入家庭,从虚拟现实技术到5G高速网络等,它们很有可能在今后的技术创新中继续稳定发展。  今年有哪些值得关注的科技趋势?且看2018科技关键词。人工智能  权威国际研究调查机构Gartner发表2018年十大策略性科技趋势时,将人工智能列为2018年最重要的技术之一,并且表示,所有以AI为基础的商业模式
带电粒子在磁场中的圆周运动是高中物理的重点和难点,这部分内容充分体现了物理学科的抽象性,尤其是带电粒子在有界磁场中的临界问题以及因此引发的动态圆和放缩圆问题让很多学生望而却步。为帮助学生理解这部分内容,笔者制作了一个动态放缩圆(带电粒子在有界磁场中的运动演示器)。  一、特点及用途  1.特点  制作成本低,结构简单,易于操作。大小可调且可转动,方便演示放缩圆或动态圆。使抽象问题变得直观,在动态圆
你可能不知道,获得今年奥斯卡最佳动画长片的《头脑特工队》是一部被心理学界认可的教科书级别的动画长片。电影中五个极具特点的情绪小人和他们所在的奇幻世界让观众们不仅眼界大开,脑洞也大开,他们和小主人莱莉所演绎的精彩故事更是让人笑中有泪。赶快认识一下这支“情绪特工队”吧。  喜怒哀乐,这是人们常说的四种情绪。电影中的乐乐、忧忧、厌厌、怕怕和怒怒五个可爱的“小人”活灵活现地展现了人类的乐、忧、厌、怕和怒五
在电学实验过程中,我们发现连接好的电路总是不通电。经过反复检查,确定电路的连接没有问题。问题出在哪?  用多用表检测,发现是导线接触不良而导致电路不通。为此,我们进一步研究了导线与各个用电器接线柱的接触情况,终于有所发现——现有的接线柱是插孔式的,用久后会松动,导致电路出现问题。  一、设计思路  由于是接线处的松动导致电路不通或实验误差,因此我们决定改进导线的连接方式。在提出多种设想后,最终确定
漂浮的房屋  绝大多数温室气体来自人类燃烧的化石燃料,这些气体的排放加速了全球变暖。为控制这一情况,荷兰建筑师 Koen Olthuis设计了建在水里的漂浮房屋,这种房屋不仅零排放,还能防止飓风的发生。  漂浮的房屋其实是一艘适宜居住的游艇,包含4个卧室和4个卫生间。它配备了30千瓦的太阳能电池板和1 000千瓦的锂离子电池。在屋顶收集的雨水被运送到船体净化后可供未来使用。此外,房内还有大量空间可
说起居家实用、绿色环保的驱蚊“神器”,非蚊帐莫属。70、80后大多在年幼时期都经历过伴有蚊帐的夏天,当睡在洁白的纱幔中,仿佛进入另一个世界。   2016年,第31届夏季奥林匹克运动会在巴西里约热内卢召开。在那届奥运会上,蚊帐大受各国运动员追捧,更被国外一些媒体称为中国的“法宝”。   古代的蚊帐    有人说,最早有文字记载的“蚊帐”出自《国风·召南·小星》:“肃肃宵征,抱衾与裯。”东汉
镉(Cd)位于元素周期表中第五周期ⅡB族,是一种有光泽的过渡重金属。随着工农业的迅速发展,金属的使用量急剧增大,镉已普遍存在于大气、水体和土壤中。  蔬菜中重金属的富集会影响其自身的生长发育,造成食物污染,并通过食物链进入人体,而摄入过量的镉会严重损害人体健康。  平时所吃的蔬菜中是否含有重金属镉?我对此展开了探究。  一、材料准备  岛津AA-7000F/G型原子吸收分光光度计,可调电炉,烧杯,
城市园林绿化废弃物的堆腐化是目前最有效、最安全、经济的处理方法,是实现其资源化利用的重要途径。但仅以城市园林绿化废弃物为堆料存在堆肥初期C/N偏高的问题,不利于堆肥过程中的微生物活动,严重影响有机物的降解速度。   为此,部分研究者从降低堆肥初期城市园林绿化废弃物C/N和获得优质有机肥角度,探究添加一定比例的城市污泥、畜禽粪便、氮肥、豆渣、微生物菌剂、餐厨垃圾等辅料,促进城市园林绿化废弃物快速腐
我们的家乡山多地少,人们常常在山上开荒种地,使得水土流失严重。随着人们生态意识的提高及国家“植树造林,退耕还林”政策的出台与实施,村民又在山上及坡地种上各种果树,如桃、梨、李子、脐橙、南丰蜜桔等。  为增加收入,村民在栽有林果苗木的山地、荒坡还放养了耕牛、肉牛、山羊、绵羊等。但牛羊会啃食苗木,导致林果苗木成活率较低,影响林果生产。如何才能让林果苗木不受影响,又能在林果苗木间种植牧草,放养牛羊?  
声音摄像机SOUNDCAM可以帮助人们轻松找到那些只闻其声、不见其形的东西。它的身上有64个MEMS麦克风,中间是一个光学相机。声波到达各個麦克风的时间和幅值不同,所以通过测量这个差异就能确定声源的位置。光学相机利用这些数据就可以生成声像图及视频。  此外,你还可以设定自己想看见的物体的声音频率,这样屏幕上就只会显示出目标物体的声像图。当一些大型机器因为故障而发出不寻常的声响时,用它就可以迅速找到