循環式電磁阻尼安全速降裝置

◆長沙市長郡芙蓉中學 伍澤航 鄧詩宇

高樓火災發生時，如何讓被困者安全、快速、有效地自救和逃生？我們想設計一種不需要使用電源就能方便自救及互救的逃生裝置。

我們了解到，強力磁鐵在銅管或鋁管內運動時，管壁會產生渦流電，渦流電產生電磁阻尼。利用這種原理再配合滑輪組增加承重，減緩下降速度，就可以設計一種不需要電源，適用于高樓逃生、游樂園或景區體驗、深井救援的循環式電磁阻尼安全速降裝置。

一、實驗與分析

1.不同材質的管壁對磁鐵運動狀態的影響

讓一塊直徑為3cm、厚0.5cm 的強磁力釹磁分別在長1m、直徑為5cm 的塑料管、鋁管、銅管內自由落體，記錄每次下降的時間，重復實驗20 次（磁鐵會吸附在鐵管壁上，因此鐵管不適合本項目）。根據自由落體運動公式算出，強磁力的釹磁下降1m 所需的時間是0.452s。

分析上述實驗結果可知：磁鐵在銅管內下降時產生的電磁阻力更大，所以本裝置優選的管材應是銅管。

2.磁鐵數量對磁鐵在銅管內運動狀態的影響

將不同數量的磁鐵（每塊磁鐵的直徑為3cm、厚0.5cm）吸在一起，使其在長1m、直徑為5cm 的銅管內自由落體，記錄每次下降的時間，重復實驗20 次。實驗結果表明，隨著磁鐵數量的增加，磁鐵在銅管內下降時所受的電磁阻力越大。

因此，增加磁鐵的數量即可獲得較大的下降阻力。

3.多塊磁鐵不同間距對磁鐵在銅管內運動狀態的影響

將三塊強磁力的釹磁（直徑為3cm、厚0.5cm）按照磁鐵間距為0cm（即自然吸?。?、1cm、2cm、3cm 吸住（磁鐵與磁鐵之間分別夾相應厚度的泡沫塊，如圖1），使其在長1m、直徑為5cm 的銅管內自由落體，記錄每次下降的時間，重復實驗20 次。

圖1 多塊磁鐵不同間距對磁鐵在銅管內運動狀態的影響

實驗結果表明，多塊磁鐵磁極相同時，相互吸住構成一個較大的圓柱磁體，產生的電磁阻力與多塊磁鐵之間有一定距離產生的電磁阻力無明顯差異。從理論上分析，在磁鐵之間保持一定距離、成為各自獨立的磁體時，仍可將其看成一個磁體。

4.多塊磁鐵不同擺放方向對磁鐵在銅管內運動狀態的影響

將三塊強磁力的釹磁（直徑3cm、厚度0.5cm）按磁極方向相反，磁鐵之間分別相距1cm、2cm、3cm 捆綁（磁鐵與磁鐵之間分別夾相應厚度泡沫塊，如圖2），使其在長1m、直徑為5cm 的銅管內自由落體，記錄每次下降的時間，重復實驗20 次。

圖2 多塊磁鐵不同擺放方向對磁鐵在銅管內運動狀態的影響

分析實驗結果可知，當磁鐵的磁極方向相反時，磁鐵之間的距離對磁鐵在銅管中受到的電磁阻力的大小有一定的影響。本實驗中，在磁體的大小、厚度和磁力強度不變的情況下，間距為2cm 時電磁阻力最大。

5.磁鐵大小對磁鐵在銅管內阻力的影響

先用彈簧秤測兩種磁鐵（A 磁鐵23 克/塊，B 磁鐵250 克/塊），記錄彈簧秤的示數。再將不同數量與不同型號的磁鐵分別用細尼龍線系在彈簧秤的掛鉤上，保持細尼龍線的長度為1m，用彈簧秤分別牽拉磁鐵在長1m、直徑為5cm 的銅管內勻速上升，記錄彈簧秤的示數。測得的數據如表1。

表1

分析上表實驗數據可知，每塊磁鐵在銅管中運動能產生的最大電磁阻力與其自重相當。

二、方案設計與分析

將釹磁按磁極方向相反的方式安裝在鏈條上，連接通過兩端的鏈輪，使其兩邊分別穿過銅管。多塊釹磁在兩根銅管中循環運動時，產生渦流電形成阻力。當連接環上的承重在一定范圍時，裝置可做勻速運動。配合滑輪組增加三倍或五倍承重，并減緩三倍或五倍下降的速度。

根據上述實驗，如果要讓承載200kg 的速降裝置帶人安全速降，則磁鐵應重達20kg（滑輪組五倍速）至35kg（滑輪組三倍速）。利用兩組滑輪交替往復，可達到高效速降的要求。

此外，我們還安裝了一個限速制動裝置，控制裝置的降落速度不超過2m/s。若降落的速度超過2m/s，限速制動器被觸發制動降速，同時發出“滴滴”的報警聲，增加速降的安全系數。限速制動裝置的結構如圖3。

圖3 限速制動裝置結構圖

三、制作過程

將32 塊釹磁（直徑5cm、厚度2cm）按照磁極方向相反的方式、磁鐵之間的間距為3cm（此種類型的磁鐵間距為3cm 時產生的電磁阻力最大）安裝在鏈條上，通過支架穿過兩根并排的銅管，讓磁鐵在銅管內進行循環運動。

支架上端鏈輪兩邊設置有鋼索盤，其中一個鋼索盤與鏈輪進行鋼性連接，另一個鋼索盤與鏈輪之間通過一個離合器進行連接，使鋼索盤可與鏈輪分離（第一個人從鋼索盤與鏈輪進行鋼性連接的一側速降時，該側鋼索盤不隨鏈輪轉動），也可與鏈輪進行咬合（待第一個人從鋼索盤與鏈輪進行鋼性連接的一側速降到地面后，將離合器咬合，便可實現兩側往復式交替速降，即一側有人速降，另一側的鋼索自動向上回收），兩邊的鋼索分別通過左、右兩側滑輪組與連接環連接。

將限速制動裝置的感應線圈（200 圈）固定在一根銅管的上方，兩個發電線圈（500圈和700 圈）固定在兩根銅管的下方，將限速制動盤固定在鋼索輪上，控制盒安裝在同側支架上方。最后，用限速控制電路將發電線圈、感應線圈、橋式整流模塊、穩壓模塊、儲電模塊、雙聯低電平繼電器模塊、三極管等與控制器連接。裝置模型如圖4。

圖4 循環式電磁阻尼安全速降裝置模型

四、模型測試

當裝置一側的連接環承重在10kg 至20kg 時，一側會勻速下降，另一側勻速上升，速度約為0.175m/s。人從高處落下，速度不超過2m/s 時，不會受傷。當連接環承重超過30kg 時，會加速下降，當下降速度超過2m/s 時，會觸發限速制動裝置制動降速，保證安全速降。由此可知，此裝置能讓人從高處安全地速降。

圖5 模型測試

五、創新點

1.本裝置能在沒有外接電源的情況下，利用強磁鐵在銅管中循環運動持續產生渦流電對其產生持續阻力的電磁阻尼原理，配合滑輪組增加承重，減緩下降速度，并能在限速制動器的控制下確保安全速降，實現循環往復使用。

2.本項目通過實驗獲取了相關數據，為裝置制作提供參數，確保裝置能達到安全速降的目的，保證了救援、逃生時的安全性。

3.本項目還適用于井下救援，并為游樂場、景區等進行高空體驗活動提供參考。

專家點評

這項發明作品的出現讓我感到十分欣慰。

其一，兩位初中生學習了電與磁的相關知識后，主動將其運用到自己的發明中，用“求別解”的發明方法，使發生高樓火災時，人們快速、安全、有效地自救有了新的解決方式，體現了他們將知識應用于生產、生活——“知行合一”的實踐精神。

其二，兩位同學僅憑初中的電與磁知識，要完成這項作品顯然是不夠的，他們需要通過學習獲取更多的知識，充分展示了兩位同學敢于“跳起來摘桃子”的進取精神。

其三，這個項目從發現問題、分析問題到設計與制作，再到驗證與改進，經過了很長的時間，力爭用事實與數據說話，這種實事求是的科學態度值得稱道。

其四，兩位輔導老師具有教育情懷、落實在培育科創人才幼苗根本任務之上的專業性指導，既科學又實用，值得推崇！