人造龍卷風機的研究與實踐

李尤

2017年夏天，我有幸成為第5屆國際青少年科學家錦標賽（IYNT）南外初中隊的一員。在幾個月的科學研究學習中，我第1次與科研有了親密接觸。通過賽前準備、動手制作、比賽答辯等環節，讓我對STEM科學探究有了更深刻的認識和理解。本文以我負責的第17題“Tornado machine（龍卷風機）”為例，介紹參加IYNT賽事的基本情況。

賽題——跨學科立體融合

IYNT是一個極具綜合性與多樣性的比賽。比賽題目類型多樣，跨學科性很強，題目涉及的知識點不局限于一門學科，常常是物理、化學、生物、地理、人文、數學等不同學科的融合。

如本次賽題第15題“Water from air”中，要求制作一個能夠從空氣中提取出水的裝置。解答賽題不僅需要考慮物理中物態變化的知識和化學中催化作用等原理，還需要用數學建模工具繪制圖紙并考慮成品外觀，之后還要用到通用技術的設備進行制作，涉及到的學科領域非常寬泛。

賽題第17題“Tornado machine”，要求制作一個能夠產生人造龍卷風的機器，可以產生穩定的龍卷風，并且最好能夠帶到現場演示。這個賽題的解答不僅需要研究龍卷風產生的機理，還需要考慮怎么人為滿足龍卷風產生的條件，并且用能夠采購到的器材實踐和研究各種變量，整個過程結合了科學（龍卷風原理的探索）、技術（各種變量的控制）、工程（龍卷風機的制作）和數學（結果的定量分析）等相關知識，綜合性非常強。

再如賽題1“Good guesses”研究在一場800個農夫猜測1頭牛重量的比賽中，如何得到一個相對準確的猜測。這一問題涉及到概率論、博弈論等數學知識，還涉及到人文社會等學科內容；賽題2“Time-lapse videos”要求用延時攝像研究某個緩慢變化的生物、化學或天文現象等；賽題4“Language barriers”要求研究不同地方不同語言可相互理解的有趣現象，需要結合地理、語言、人文等學科領域的知識。

每一個賽題都包含了諸多學科領域的內容，題目具有極強的多樣性、綜合性和開放性，它們沒有固定答案，讓人眼花繚亂，無從下手，每個實驗課題都需要參與者自己設計實驗并得出結論，體驗一個具體而完整的探究過程。

答題——開腦洞步步為營

要解答IYNT這類開放性的賽題，傳統課堂上那套平鋪直敘的標準答案顯然是不行的。必須學會科學研究的思路與精髓。通過學習，我們了解到科學探究一般包括提出問題、作出猜想、考慮參量變量、設計實驗、收集數據、得出結論、誤差分析等幾個部分，下面就以本次比賽第17題“Tornado machine”龍卷風機為例具體說明。

分析問題，作出猜想

題目：Build a machine to produce an an-door air tornado.Investigate the properties and stability of the tornado.Is the machine portative enough to be demonstrated at a Science Fight room of the 5^thIYNT？（制造1臺能產生室內龍卷風的機器，以研究龍卷風的性質和穩定性。這臺機器是否足夠方便攜帶以便在第5屆IYNT比賽現場進行演示？）

拿到題目，我們先對題干進行了分析，我們標出了幾個關鍵的詞匯：property（性質）、stability（穩定性）和portative（易攜帶）。這些關鍵詞給了我們一些研究方向、思路和簡單構想。

因為題目明確指出要求我們建造出1臺龍卷風機，而先前的理論知識又超出了我們的理解范圍，于是我們決定先查找資料，了解國內外對此研究的現狀，重點便放在確定龍卷風的性質上。我們通過網絡、圖書館查閱了大量關于龍卷風的概念與形成機理，以及國內外關于此方面的研究現狀，進行了全面的整理、歸納、概括，并組織成文字，同時根據題目的要求建模，通過一次次討論計算，定下我們需要研究的參量與變量——切力、上升力、風速、進風量等，最后建立模型如圖1所示。

考慮變量，設計實驗

在真正開始實驗之前，我們先在紙上繪制了機器的草稿，如圖2所示。之后經過多次討論定下實驗材料的相關數據，例如龍卷風設備中玻璃板材料的長寬高、抽風機的數量、位置和進風量等。全部考慮清楚之后，再開始采購定制所需要的所有材料，例如，抽風機、鼓風機、有機玻璃板、超聲波霧化器等，并進行組裝和實驗，圖3所示為從網上采購的各種材料。

進行實驗，收集數據

在搭建完龍卷風機器后，我們就開始實驗。圖4所示為龍卷風機器實驗的圖片，在實驗中我們選擇了多種合適的研究方法，如控制變量法、對照法等。圖4從左到右依次是產生穩定的龍卷風、半穩定的龍卷風（上部區域不穩定）和不穩定的龍卷風。我們通過多次改變進風量、抽風量，以及它們影響的風速等實驗變量進行對照，通過計算并測量多組數據后繪制成表格，如表1所示。

另外，為了改變抽風機的進風量，我們用硬紙板遮蓋抽風機的一部分進行實驗，從而模擬控制變量，以達到對比實驗的效果。

誤差分析，得出結論

我們計算并測量了板間距離、抽風機抽風量與風速的關系。通過定義“stability” （穩定性），認真觀察實驗現象和記錄的數據，找出數據所反映出的共同規律，簡要地得出了我們的定性定量兩方面的結論：當板間距離更小、抽風量更小時，形成穩定的龍卷風所需要的時間便會更長；當風速v>0.44m/S時，能形成穩定的龍卷風；0.11 m/s

因為實驗測量中的不準確及設備的不完善，實驗中肯定存在一定的誤差，于是我們對于實驗和理論中不盡如人意、還可以有提升空間之處進行了提及與試圖修正，例如希望能夠改變板間距的寬度，希望能用更精確的方法測量風速，希望能用更準確的手段改變進風量與抽風量等。

整理報告，準備演講

光悶頭做實驗還不行，我們還需要系統分析自己的研究結果，同時理清思路把自己的最終成果清晰地展示出來。由于比賽要求，我們需要對每道題作8分鐘的匯報演講。既要讓匯報完整清晰，又要簡潔易懂，那么這個時候就考驗我們的條理與思路了。所以，比賽前，我們再次完整地回顧整個課題，從題目分析、理論分析，到實驗的設計與推進，最后是結論與誤差分析，把整個過程清晰地呈現在我們匯報的幻燈片上，同時還模擬對手針對課題可能提出的疑問并進行模擬解答，為最終的比賽作好一切準備。

比賽——拼實力唇槍舌劍

在緊張的準備之后，終于迎來了比賽的日子。

在確定賽題后，首先是正方陳述環節。在呈現自己匯報成果的時候，如何與臺下裁判、觀眾交流，如何與對手交流都有一番技巧。比如語速要適中，才能讓大家聽得清晰卻又不冗長無力；在匯報中，多用圖或表格展現實驗數據，才能更加形象地表明實驗結果；同時，我們還展示了真正的實驗設備與成果，讓人信服。8分鐘的陳述，我信心滿滿，從理論到實驗，從制作到演示，充分展示了前期準備成果，效果不錯。

緊接著是對方的提問環節。對方開始狂轟濫炸，一堆“炮彈”向我飛來。其中典型的2個問題是：①在實驗中給出了不同風速的結果，那么是如何測定風速的？②龍卷風外沿和內沿有什么區別？

經過短暫準備后進入辯論環節。對于第1個問題，我早有準備。因為條件限制，沒有準確測量風速的風速計。但是，我們根據排風扇給出的性能參數，可以計算出每分鐘排風扇會抽走多少立方米的空氣，再用它除以龍卷風機器四周縫隙的橫截面積，就可以估算出空氣流入的速度，也即估算出風速了。對于第2個問題，一開始還是有點發懵。在仔細思考之后，這個問題也不難。根據理論知識，在一定條件下速度環量u與半徑r成正比，因此外沿的風速顯然大于內沿的風速，問題就有了較好的答案。

在評委提問環節，評委的問題通常直擊要害。有評委提出：“龍卷風穩定的標準是什么？怎么判斷龍卷風是否穩定？”這個問題確實有點難，可以說打得人措手不及。我深吸一口長氣，告訴自己一定要冷靜。龍卷風穩定的標準確實不好定量分析，但是根據長時間觀察，能否形成穩定的氣旋是關鍵。最后根據現場演示和錄像解讀，基本上算是給了一個勉強答復吧。這個問題也體現出我們還沒有考慮周全并且對某方面知識還有遺漏。

終于到了各方總結陳詞的環節，我也松了一口氣。比賽的過程緊張而有序，對我們每一個人不止是知識上的挑戰，更是參賽時心態的考驗。

結語

通過這次比賽，首先提升了我搜集分析文獻資料的能力。借助圖書館、網絡等工具查閱課題研究領域的大量文獻資料，從中了解課題的研究現狀、研究前沿及研究熱點，學習研究思路，掌握研究方法，為課題的開展和順利進行奠定堅實的基礎。其次，我學會了開展科學研究的基本方法。對提出問題、作出猜想、設計實驗、收集數據、得出結論、誤差分析等基本的科學研究方法有了更深層次的了解與認識，學會了在基本方法上利用有限的工具材料，使用切實可行的方法進行高效率的探究。再次，還增強了我們團隊分工協作的合作精神。最初分配題目時，每個人都分到三四個題目的研究內容，雖然每人的課題不近相似，但我們在做好自己課題研究的同時，也關注隊友的課題，討論會上大家積極建言獻策，相互啟發。我們6個人在賽場上互相鼓勵，互相配合，偶爾插科打諢也讓這幾個月的辛勤準備和緊張比賽充滿了樂趣，我深深地為這樣一個優秀隊伍感到驕傲和自豪。