教學錦囊

科學魔法show-空氣與力

文.圖/林懿偉

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【知識】飛上天空看世界

最近因為四軸飛行器的空拍攝影流行,讓大家用了不同的視野看到了我們自己的家園。這個發明和過去的飛機與直昇機有些不同,由於空拍攝影需要的是穩定的畫面,但遙控飛機飛行的速度較快,不容易控制拍攝固定的地方。

而螺旋槳直昇機雖然有比較穩定的停懸狀態,但是直昇機大多是靠一個主要的螺旋槳來產生上升的浮力,如果沒有機尾另一個小型旋翼來抵銷一些力量,則會造成機身跟著螺旋槳旋轉的現象。像是哆啦A夢用的竹蜻蜓,如果沒有在他的尾巴裝另一個小螺旋槳,則他的身體會跟著竹蜻蜓轉動,而轉得頭昏腦漲。再加上直昇機方向的控制,必需要有機械結構來改變主螺旋槳的角度,才能夠讓直昇機得以有不同方向的運動方式。

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而四軸飛行器相較於前兩者,在機械設計的概念上就簡單許多,只要四個螺旋槳同時出力,總升力大於自體力量的時候,飛行器就會上升;升力與重力兩者力量相等的時候,飛行器就會停在空中。若要左右移動時,只要改變其中部份螺旋槳的旋轉轉速,就可以達到這樣的目的。

但話說回來,學校老師容易自己來操控這個新型玩具嗎?答案是可以的,因為現在專業的飛行器都搭配有GPS及陀螺儀,並配合平板電腦來控制。當利用平板電腦讓飛行器自動起飛後,如果遇到外力(例如陣風)讓機器飄移或歪斜,飛行器裡面的控制器會透過感測器計算出歪斜的程度,並指揮螺旋槳的力量分配,使其回到原位。再則,如果遙控過高、過遠時,機器也會依照原先的設定,使其不會超過設定範圍。萬一飛行途中,遙控器沒電或是摔壞怎麼辦?別擔心,飛行器不會四處亂飛、投奔自由的,當飛行器在一定時間內發現沒有遙控器在控制它時,它就會把起飛點當成是「家」,在電力足夠的情況下,就會自動返航。

利用遙控四軸飛行器來攝影的教育價值有哪些呢?在曾造訪拍攝過的全國五十多所學校裡,我們想告訴學生,即使再熟悉的環境,用不同的視野來看觀察,就會有不同的感受。即使是每天朝夕相處的校園,也會因為看事情的高度不同,而有不一樣的發現。這裡還是要提醒一下,再好的東西都會有風險存在,使用飛行器必須符合政府法律的規範;另外雖說操控簡單,但是操控者的「飛行時數」還是很重要的,畢竟有足夠的操控飛行經驗,才能在遇到特殊狀況時,有能力可以即時反應。

雖然說遙控四軸飛行器已經變得比以往簡單,但是四軸飛行器除了應用電子與通信的技術之外,還有「空氣與力」的作用。接下來介紹一些相關的遊戲。

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【遊戲】:好大的一口氣

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一般的保麗龍浮球遊戲。

【遊戲】:浮球遊戲進階版

大部分的人都玩過吸管吹保麗龍球的遊戲,就是利用吸管吹起一個保麗龍球,而且球會懸浮在空中跟著吸管移動。接下來要介紹的是進階版玩法。

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步驟一: 找一個大小約50ml的醬料杯、試飲杯或是小漏斗。若是使用杯子,請用電鑽鑽出一個比吸管稍微大一點點的洞;若是使用小漏斗,則請確認吸管可以套住漏斗窄口的部份。

步驟二: 先示範大家所熟知的保麗龍浮球遊戲,讓學生複習或認識這個效果。

步驟三: 將吸管套在杯子上,必要時可用黏土或熱熔膠將吸管杯子間的縫隙塞住。

步驟四: 放一個球在杯子裡,先問學生這樣用力吹氣,會不會因為氣的集中,讓球飛得更遠?

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步驟五: 老師示範用力吹氣,結果球不但不會飛出去,反而卡在杯子裡。甚至在吹氣時讓杯口朝下,裡面的球也不會掉下來。

說 明: 這是因為康達效應(Coanda Effect,或稱附壁作用)造成的現象,因為吸管吹出去的空氣,會沿著杯子邊緣跑掉,讓杯子周圍環繞著流動的空氣,根據伯努利定律(Bernoulli):流速越快壓力越小的原理,杯口上方的大氣壓力持續的對球產生壓力,將球推往壓力小的杯子邊緣,所以造成球不會跑出來的現象。

<本文摘自 康軒【國小自然通訊No.37】>