17屆科趣項目~迴旋特技飛行



遠哲科學教育基金會已經要17歲了,即將邁向成年之路了。今年遠哲科教育基金會也發展出趣味性十足的競賽項目喔!想必大家都有看過迴旋標吧!而她是什麼樣的原理呢?那無動力設計的飛機也可以像他一樣迴旋回來嗎?想必大家一定會會很好奇吧!


關於迴旋鏢的飛行現象,可以用迴旋鏢與空氣的交互作用來解釋。若在真空中由於缺少了空氣的作用,迴旋鏢的飛行軌跡,應該僅是個拋物線。然一旦考慮空氣,則情況就顯得複雜,不過我們仍可用比較淺顯的方式來了解,大致而言,迴旋鏢的飛行現象與力矩、角動量、轉動慣量及白努利原理、向心力等物理原理有關。

如果我們以水平方向(轉軸垂直地面)投擲迴旋鏢時,兩翼的特殊結構使得空氣流經翼的兩側時,依據白努利原理,空氣會有個朝上的淨力作用在較低、平坦的一側進而產生浮力。如果用右手垂直投擲迴旋鏢(先前朝上的一側此時朝左),則浮力的方向(投擲者觀看)是由右至左,不過單由這浮力並不足以解釋迴旋鏢的飛行軌跡。

緊接著我們可以考慮垂直丟出後,兩翼上各點對空氣的相對速度,我們發現兩翼上各點對空氣的相對速度均不同。當翼上的點是朝上時,迴旋鏢的向前速度加上由於轉動所產生速度才是相對於空氣的速度,反之當翼上的點是朝下時,迴旋鏢的向前速度減掉由於轉動所產生速度才是相對於空氣的速度,因此作用在迴旋鏢上的不僅是由右向左的浮力(提供迴旋鏢旋轉所需的向心力),同時也會產生一外力矩(水平方向)作用在迴旋鏢上企圖使得迴旋鏢上半部向左傾斜、下半部向右傾斜。

這就跟陀螺儀進動現象相似,相關原理可以回顧(陀螺儀)—(可以參見遠哲第15屆—吳原旭老師所設計的危險邊緣單元),再回到迴旋鏢這主題就比較清楚,如果是右手投擲迴旋鏢正面朝左,則角動量的方向朝左,由浮力所造成的外力矩朝向投擲者,因此迴旋鏢相對朝上方向有一進動現象產生,若再加上考慮迴旋鏢有一向前的的速度,大致上就是我們所看到的迴旋鏢飛行繞回的原因。

那手製飛機如何可以像迴旋標一樣飛行呢?如果根據能量不滅定律,在沒有其他形式的能量(燃燒油料,電池驅動馬達),等要讓無動力飛機起飛幾乎是不可能的。除非是在飛機分類裡的一種,叫:滑翔機(GLIDRER),本身完全無動力,而他的升空方式有:
1. 地面牽引。通常由汽車牽引或絞盤車牽引,牽引至一定高度後脫鉤。
2. 空中牽引。一般是由帶有動力的飛機將滑翔機牽引至一定高度,脫鉤後進入自由飛行。
3. 彈射起飛。由具有彈性發射功能的設備將滑翔機發射到一定高度。
4. 自行起飛。動力滑翔機可靠自身動力自行起飛至一定高度,之後關閉自身動力進入自由飛行。

而遠哲這一次競賽的項目就是運用了流體力學的原理,流體力學是一相當專業而且艱難的學問,但知難行易,使用模型飛機,藉機翼彎度的調整可使模型飛機轉彎飛行。一般飛行機的機翼,都設計成具有弧度的形狀,並且在機頭設計有一個衝角,其目的都在改變氣流的方向與速度。一股水平運動的氣流,會因機翼面的弧度而改變流速。流經機翼上面(A)的氣流,速度加快,產生較低氣壓;而流經機翼下面(B)的氣流,速度較慢,產生較高氣壓,如此就好像把機翼拉向上,產生升力(F)如圖1。
1  翼型、衡角升力示意圖(摘自蘇正男教授的講義)
  參考資料蘇正男教授 http://blog.xuite.net/scarelett901/paperfly

而此次科學DIY就是用手腕的力道給予適當力量讓飛機可以滑行,但又是像迴力鏢式的以迴旋的方式飛行,十分神奇,下面將附有無動力飛機的模型樣板可以讓喜歡動動的手的小小科學家們,動手做一架特技迴旋飛機來體驗一下吧!




附件一

大家可以自型切割模型飛機自己DIY

器材:飛機模型珍珠板、雙面膠帶、單面膠帶、瞬間膠(三秒膠)、保麗龍膠、尺、剪刀、迴紋針。

步驟:
一、從飛機模型真珠板取下飛機零件A-E,如圖1。
1  飛機模型真珠板


二、用雙面膠帶或瞬間膠以B為中間,A與C為B的兩旁而且對準B,將A、B、C組成機身。
三、機翼E上的長邊點線移到桌子邊緣並且對準邊緣,用尺壓住點線後,往下稍壓,使機翼成一弧面。
四、用瞬間膠將機翼黏在機身上,並用單面膠帶固定。注意,此時翼面要有下彎的弧度。
五、同樣方式將尾翼D黏在機尾。
六、輕輕地挖出機頭兩側的小圓板,點一小滴的瞬間膠或保麗龍膠後,放上螺絲帽,也同樣用單面膠帶固定之。
七、調整機翼與尾翼的調整片(剪開實線後沿著點線往上或下稍壓),使模型飛機能轉彎飛行。


操作:
一、等待膠乾後,平射飛機,檢查飛行是否平順,若機頭太輕,可加一支迴紋針增重,並調整整架飛機的重心位置。
二、調整尾翼的調整板c與d往上翹,可使飛機垂直迴旋。
三、調整機翼的調整板a與b往下彎,可增加飛機飛行的浮力,減小轉彎的半徑。
四、調整舵翼的調整板e,可調整飛機水平飛行的轉彎半徑。
五、每次調整調整片時,都要一點點的調,即使微調也可體驗其影響。
六、試一試平飛,垂直迴旋,與平面迴旋。


文.小哲弟弟

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張一寫道…
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