提升太阳能风力船行进速度的研究报告.doc

提升太阳能风力船行进速度的研究报告江阴市华士实验中学 姜帆 指导老师：朱志国1 研究背景我选择这个课题，是因为我校在中小学科技创新大赛江阴赛区选拔赛中，以优异的成绩成功入选，并有机会在北京参加总决赛。老师同学们这一次非常看好我们，相信我们能为学校再次争光。所以作为比赛团队一份子的我，带领参加本次比赛的其余同学，对本课题进行了一系列调查研究，并完成了这份研究报告。2. 研究目标 改进并完善船体的各个部分，改善并熟练操控船体的方法和技巧，争取在两米长的水道中，将航行时间降低到5秒以内。增多对太阳能节能方面的了解，增强动手能力，在研究中发现问题，找出规律，并带动身边同学对科技制作感兴趣。3. 研究对象 在江阴选拔赛中，我们采用的太阳能风力船主要有以下几个特点：0.5厘米厚度KT板材质的长方形船底（船头如竹筏般上翘）、马达居中前置、太阳能板居中后置、前窄后宽的尾舵、防贴边打转的塑料长条。在两米长的水道中（水深约15厘米，赛道宽约 20厘米，出发点距后壁30厘米，实际赛道长1.7米）。采用100瓦的白炽灯作为光源。一艘做工精致，发挥正常的此船成绩，平均时间为8秒。4. 研究方法 实验法、对比法、查阅资料法、走访询问法等。5. 研究过程 在选拔赛中，来自不同学校的队伍的参赛作品外形上各不相同，速度上也各有差异。于是在老师和队友们的共同协助下，并结合我们的作品，我列出了以下几个可以改进的地方： 船底的形状，材质 马达和太阳能板的放置 扇叶的形状 白炽灯的照明方式（1） 船底的形状，材质队员们查阅资料，各出己见，船底的样子五花八门，以下是几种操作可行的方案，我将每艘船都相同的马达和太阳能板，用了相同的的方法做了实验并做成了表格：“竹筏形”主体是长方形，前部略微弯起，如竹筏状，两侧用多余的KT板膜包裹，使其平滑，减少与赛道壁摩擦的阻力，船尾加上一塑料尾舵。此船航行平稳较慢，不摇晃，不易偏，不易减速，起步慢，易贴边，贴边速度明显减慢，船体运动方向不发生明显改变，速度稍慢贴边运动，但不停止航行。平均速度为8秒。“菱形”主体为菱形，此船底切割时要将美工刀偏向内，使切出来船底的横截面如同一个上宽下窄梯形，类似于快艇两侧，船尾加上一塑料尾舵。此船航行较快，不摇晃，容易偏，容易减速，起步快，在后半程易贴边，贴边速度明显减慢，船体运动方向发生明显改变，缓慢贴边运动，但不停止航行。平均速度7.5秒。“三角形”主体为三角形，此船底切割时要将美工刀偏向内，使切出来船底的横截面如同一个上宽下窄梯形，类似快艇两侧，船尾加上一塑料尾舵。此船航行较快，略摇晃，容易偏，容易减速，起步慢，不易贴边，贴边速度明显减慢，船体运动方向发生明显改变，缓慢贴边运动但不停止航行。平均速度7.5秒。“H形”主体是有两条打磨圆润的细长条，材质是泡沫塑料，长宽高分别是19cm、0.8cm、2.5cm，和一块小长方形的KT板拼接而成，成腾空状，船尾不加尾舵，两条塑料长条平行排放，起到了尾舵的作用。此船航行较快，略摇晃，不易偏，不易减速，起步快，易贴边，贴边速度明显减慢，船体运动方向不发生明显改变，速度稍慢贴边运动，但不停止航行。平均速度7秒。综合实验结果，各种船体优劣情况如下表：摇晃偏向减速起步贴边时间排名竹筏形82菱形7.53三角形7.54H形71：不好 ：良好（2） 马达和太阳能板的放置我和队友在上述实验中，发现放置马达的一侧，吃水相对于另一侧很深，并会对船体航行速度带来很大影响。我和老师队友在纸上涂涂画画，并查阅了许多关于快艇外观设计的资料，通过理论的阐述来制定方案，以下是我们商讨过程中的方案以及画图： 马达在前，太阳能板在后，两者之间距离拉长，以便操控白炽灯。此方案操控简单，但马达较重，重心偏前，前部吃水深，阻力偏大，扇叶产生的风力也会受到白炽灯的阻挡，影响速度。 马达在后，太阳能板在前，两者之间距离拉长，以便操控白炽灯。此方案操作略难，但马达较重，重心偏后，产生前桥后倾的效果，像一艘快艇，阻力较小，扇叶产生的风力不会受到白炽灯的阻挡，影响速度。两方案相比，选择号方案（3）扇叶的形状扇叶是小船作重要的部分之一，起到了关键作用，而扇叶的形状五花八门，所产生的风力也各不相同。队友们各自收集来五种扇叶，一一作了比较和实验。大扇叶，两个叶片，叶片细而长而薄。带动慢，转速低，风力小。中扇叶，三个叶片，叶片细而长而薄。带动快，转速中，风力中。中扇叶，三个叶片，叶片宽而短而厚。带动快，转速低，风力中。小扇叶，三个叶片，叶片宽而短而薄。带动快，转速高，风力大.小扇叶，四个叶片，叶片宽而短而超薄。带动快，转速高，风力中。（）白炽灯的照明方式白炽灯中的灯丝所产生的光垂直照射在太阳能板上，所产生的电能应是最大的，但由于灯罩和固定的铁条的原因，并不能很好地按照理想的方法实施。并且随着船体开始运动赛道壁和操作者向前移动，都会导致白炽灯远离或触碰到太阳能板。所以我和队员们对以下几种照明方式进行了实验对比： 用白炽灯的尾部照太阳能板，与太阳能板保持平行。灯罩的头部容易触碰到马达，手腕也容易沾到水面，产生波浪，影响船体运动，太阳能板所收集到的光线较少，不易观察白炽灯与太阳板的位置。结果时间平均增加秒。 用白炽灯的中部照太阳能板，与太阳能板保持平行。灯罩头部不易触碰到马达，手腕不易沾水，太阳能板所收集到的光线一般，不易观察白炽灯与太阳板的位置。结果时间平均不变。 用白炽灯的头部照太阳能板，与太阳能板保持度角。灯罩头部不会触碰到马达，手腕不会沾水，太阳能板所收集到的光线较多，容易观察白炽灯与太阳板的位置。结果时间平均减少秒。我们结合实验对比，选择方案。队员们在进行白炽灯的照明方式的实验对比中，发现每个人的照明动作都不同。于是互相讨论，各出己见，并请教老师，总结出一种最可行的照明动作方案： 裁判员开始计时时，压下令时间打开开关，并迅速调整白炽灯与太阳能板的位置，保持45度角。行进过程中，双腿半弯，右手持白炽灯，左手握住电线，防止勾到赛道，影响照明，眼睛一直盯着小船，不断调整白炽灯的方向与角度。快到终点时，不能多早熄灯，要使船体触碰到赛道壁后，停顿一两秒后，再熄灯。以免过早熄灯，减慢速度。研究结果 综合四处改进的地方，我们做出了一艘全新的太阳能风力船：H形的腾空的船底，两条塑料长条平行，马达后置，太阳能板前置，两者之间距离拉长，换上小三叶扇片，将防贴边打转的塑料长条贴在船头，并采用用白炽灯的头部照太阳能板，与太阳能板保持度角的照法，并采用总结出的照明动作。最终，此船的成绩稳定在54.5秒左右。 7.收获感悟 通过此次实验