翱翔科学:飞盘飞行的空气动力学

作者: 东西体讯

翱翔科学:飞盘飞行的空气动力学
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重要概念
空气动力学
力量
物理
升力
阻力

介绍
你擅长扔飞盘吗?你有没有想过飞盘如何能够在空中飞翔?如果你可以在目标上投出完美的弧形曲线,你已经训练了你的手臂来帮助飞行器的空气动力学!在这个活动中,你将研究你扔飞盘的角度如何影响飞行方向和距离。下次当你抛出飞盘时,这个空气动力学的小课程可能会让你的投掷更加准确!

背景
在飞行期间作用于飞盘的两个关键力量是抬起和拖动。电梯是使飞盘保持空中运动的力量,并且在飞行中它抵抗磁盘质量上的重力。飞盘本身在空中飞行时形成这种升力。由于飞盘的曲面形状,其上方的气流必须以比下方更高的速度传播,从而在盘下方产生低压和高压。这个压力差提供了升力。拖曳是飞盘上的一个抵抗力,垂直于升力,它抵抗磁盘在空气中的移动。飞盘投掷的角度,我们称之(作者: 东西体讯)为“发射角度”(又称迎角),影响升力和阻力。

作为一个侧面说明,你可能已经注意到,如果飞盘没有旋转,飞盘不会行进太远。旋转飞盘通过提供角动量帮助它飞行,这有助于保持飞盘稳定; 它旋转得越快,它应该是越稳定。

材料
•飞盘
•长绳或软管
•用于飞盘飞行的大型开放区域
•卷尺
•助手(可选)
•一张纸和一支笔或一支铅笔(可选)

准备工作
•使用长绳或软管在你面前划一条长直线,长至少7.5米。你会扔飞盘,以便它被引导到这条中心线上。
练习将飞盘沿直线投掷几次,以便习惯折腾飞盘。如果你之前还没有扔过飞盘,你可能想尝试练习一段时间。提示:扔飞盘的好方法是将飞盘放在您的前方(靠近您的非折腾肩部)旁边,然后在释放飞盘之前将其水平放置在您的正前方。
•如果在任何飞盘投(作者: 东西体讯)掷过程中有风,请注意风速和风向。

操作步骤
•尽可能将飞盘放平并水平放置,使其朝向您制作的中线。你可以有一个辅助手表来确认你扔飞盘的角度。它走了多远?它离中心线有多远,以及在哪个方向(左或右)?如果您有一张纸和一支铅笔或一支笔,您可以记录这些数据和所有以(作者: 东西体讯)下航班信息。
•将飞盘至少平放并水平放置至少四次。每次以类似的手臂动作和速度投掷飞盘,使用类似的旋转,并具有相同的释放点。飞盘每次旅行有多远?它离中线有多远,以及朝哪个方向移动?
•将飞盘向上倾斜一点,比之前的平投高出45度。(你可以想象,如果你的手臂是时钟的时针,那么以前的投掷将会指向三点,这个投掷应该瞄准在一点到两点之间)。以这种方式抛出至少五次。除了改变发射角度外,尽量保持航班的所有其他方面都一样。每次向上飞行时,飞盘的飞行距离有多远?它离中线有多远,以及朝哪个方向移动?
•将飞盘向下倾斜一点,瞄准一个平投之下(四点至五点之间)约45度的角度,至少五次。再次尝试让每个航班的所有其他方面保持一致。每次飞向下方时,飞盘有多远?它离中线有多远,以及朝哪个方向移动?
•     您是否看到发射角度与飞行方向之间的一致关系?发射角度和距离之间是否存在关系?基于空气动力学原理,为什么你认为你看到了这些关系?
•     额外:在本活动中,(作者: 东西体讯)您研究了飞盘的发射角度如何影响其飞行距离和方向,但您只测试了几个角度。您可以再次尝试此活动,但测试更多角度,例如您在此活动中尝试的角度。您可以录制您的投球,然后观看视频以分析并确认投掷飞盘的角度。飞盘使用其他发射角度飞得如何?在距离和稳定性方面,是否存在与“最佳”飞行持续相关的角度?
•     额外:在这个活动中,没有关注风对飞盘轨迹的影响,但它绝对是一个因素。飞碟飞行如何受到风吹影响?横跨或随风而行?在这些情况下,发射角度如何改变飞行?
•     额外:您可以比较飞盘飞行与飞行(飞行环盘)的飞行。你注意到了什么差异?你能用气动力来解释它们吗?

观察和结果
当你把飞盘扔得尽可能平坦和水平时,它是否会飞得比较平直(离左或右不远)还有很远?当你把飞盘向上倾斜一点时,它飞得很高而且很不直,在飞行末期靠近一边?当你扔飞盘向下倾斜一点时,它的飞行速度不是很快 – 它是否也会偏离一边?

飞得很好,飞盘需要足够的提升,而不是太多的阻力。当飞盘向下(作者: 东西体讯)倾斜时,它没有太多升力,因此它很快落到地面上。当飞盘相对水平时,其飞行量很大,因此飞行飞得相对较远 – 至少比飞盘向下倾斜时飞得更远。当使用更大的发射角度时,飞盘有更多的升力。不过,你可能已经注意到,尽管向上飞的飞盘飞得相对较高,但它可能在飞行结束时相当突然失速。这可能导致它轻轻地降落和/或快速地落到一边。在本次活动中测试的三个发射角度中,水平发射可能导致总体“最佳”飞盘投掷距离和直线度。

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