影響氣墊船摩擦系數參量的實驗研究

邢方舟

摘 要：本研究主要討論氣墊船模型在實際應用時受到摩擦時的主要影響因素，合理提出假設后設計實驗對CD-氣球模型進行了精確實驗，確保了實驗結果數據的準確度，最后通過對比的方式得出了影響摩擦的主要因素。

關鍵詞：氣墊船；摩擦；氣墊船模型；拖拽實驗

該課題取材于2015年IYPT（國際青年物理學家錦標賽）中的一道題目，我們做了適當的變化使其成為了研學的課題。

（1）背景：

將一張CD光盤和一個充滿氣的氣球通過一根管子連接。漏氣時可以升起裝置使其以低摩擦漂浮在一個表面上。研究相關參量如何影響“低摩擦”狀態持續的時間。

（2）目的：本課題旨在通過科學的研究方法解決無論是在工程學還是流體力學中都有一定意義與研究價值的氣墊船動力學問題，該問題的解決有助于推動氣墊船在生活中的應用與普及，可為未來氣墊船的工程學改進提供理論方向與基礎。

（3）模型展示：（右圖）

根據理論推導我們得出了氣球噴出氣體流量與時間的關系，在此我們得出：

1.半徑越大，放氣速度越快；

2.時間越長，放氣越慢；

3.半徑和時間的關系近似為指數形式；

4.我們將在下一步的實驗中通過實驗對氣球及氣球氣流對于氣墊船的摩擦狀態的影響進行探究。

2.實驗

（1）預實驗

實驗材料： 標準CD-ROM光盤（光面朝下） 課桌（已擦凈） 普通吸管（未與光盤接口密封）

實驗現象：

①、用較小力氣吹：光盤穩定飄浮在桌面上，摩擦力與系數降至極低。

②、用較大力氣吹：光盤不斷以較高頻率進行振動拍擊桌面，摩擦力與系數較高。

預測：對于實驗中的主要影響因素應當是氣流的強弱與大小。在實際實驗中，噴管與光盤接口需密封緊，要逐步控制氣壓與噴出氣流。

（2）氣球的參量的測定：

直徑12cm；小孔直徑1.5cm；質量14.4g；導管長13cm

（3）進行氣墊船實驗基礎準備

①、確定桌面平整

②、確定桌面干凈

③、組裝器材

（4）有關數據：

（5）數據分析

經過多組實驗，我們總結出氣墊船的低摩擦持續時間與氣球直徑呈正相關關系。其氣球懸浮時間與初始體積成近似線性正相關的關系，且與總質量呈負相關關系。其中前者較好的符合我們理論的驗證。

（6）誤差分析及優化

問題一：測量摩擦力時拖拽會造成光盤失去平衡增大摩擦，且會影響氣球出氣。

優化：經過多次使用懸掛法找出結構重心，后將拖拽點改在重心處可避免結構傾斜。

問題二：手拖拽結構會使結構產生加速度導致氣球搖擺導致出氣的不均勻。

優化：對于問題二，我們放棄手拖拽，采用有定速的軌道小車進行拖拽。

問題三：氣墊船不穩定時與水平面有傾角，造成氣體斜噴，氣墊船出現抖動。

優化：減少導管長度，降低氣墊船重心位置。

3.結論

（1）CD～氣球模型的結論

經過實驗，我們推出的氣球的相關關系：

氣球直徑與氣流，氣流與時間的關系：氣球噴出氣流大大減小了光盤與地面間的摩擦力。其中低摩擦狀態的持續時間與氣球直徑呈正相關，半徑越大，其放氣速度越快，時間越長，放氣越慢，半徑和時間的關系近似為指數形式，其氣球懸浮時間與總質量呈負相關關系。

（2）關于具體模型的推想

由于條件限制，我們所能做的實驗均是具體情況的近似：CD～氣球模型為實物氣墊船的近似模型；我們在這個簡易模型中測定的物理量也可與實物模型中的物理量一一對應：

氣體體積>>氣墊船中的動力原料容量；

氣球>>氣墊船中的動力源裝置；

光盤與地面間的摩擦力>>氣墊船與水面間的摩擦力

氣球懸浮時間>>氣墊船運行時間

氣球放氣速度>>氣墊船噴氣速度

參考文獻

[1]凌智勇等《微流動的研究現狀及影響因素》，江蘇大學學報（自然科學版），2002，23（6）page3

[2]何楓，謝峻石，楊京龍 《噴嘴內部流道型線對射流流場的影響》 應用力學學報

[3]Charles de Izarra and Gr ?egoire de Izarra《Stokes equation in a toy CD hovercraft》，part 3. “Theoretical approach”