乒乓球流体力学高压实验演示仪的研制.docxVIP

乒乓球流体力学高压实验演示仪的研制 1 旋转、接旋转球 复杂的旋转变化规律是混凝土教育和训练中最难教授的问题。近些年来的各种乒乓球大赛表明,击、接旋转球技术更加被人们重视,利用旋转变化争取主动已成为重要的得分手段之一。在教学与训练中,为了使学生能更直观地理解乒乓球旋转变化规律,课题组设计了乒乓球压强差和旋转轴两种实验演示仪,以便学生掌握乒乓球旋转变化规律,更好地运用旋转球技术,提高技术水平。 2 实验设计与仪器 在以往乒乓球教学及训练中,为解释乒乓球旋转飞行规律,通常采取双手拿绳系的两个乒乓球间距2～3 cm,在两球之间吹气的方法演示“流速越快,压强越小,流速越慢,压强越大”乒乓球流体力学压强差原理,但上述方法存在以下不足:1)手拿绳系的两个乒乓球难以控制球体的稳定及固定间距,所产生晃动难以表明是手动还是风动产生的结果;2)用嘴吹出的气流速度快慢不定,不易演示出气流流速对两球所形成压力差的真实变化程度;3)用嘴吹出的气流流向及体积是泛化不固定的,难以准确从两球中间通过,会造成球体无规律地晃动及碰撞;4)用嘴吹出的气流不能演示出两球持续旋转的相吸现象。为解决传统实验方法影响实验效果存在的问题,笔者试研制了乒乓球压强差实验演示仪,旨在为提高实验质量提供相关仪器。 乒乓球压强差实验仪器应满足以下要求:1)保持两球距离2 0 mm固定不变,并可随意控制两球的晃动,使其静止;2)用风动器吹气使气流保持恒定,且能调整气流的速度;3)制作可调式的风口,使吹出的气流流向及体积稳定,让两碰撞和相吸现象保持相对的稳定状态;4)能演示出两球持续旋转的现象,使传统实验更规范、合理和科学,更具有说服力。便于学生能更直观地看到实验现象。 2.2仪器基本结构(图1、图2) 1.底座由A1钢板制成,长330 mm、宽140 mm、高20 mm,中轴前有底槽长100 mm、宽5 mm,座底下面四角粘有4个胶皮垫。 2.参照框由A1钢板制成长140 mm、宽105 mm的长方型、支架高90 mm,支架底与底槽连接,可使参照框随着支架沿底槽前后移动。 3.乒乓球为40 mm标准球,用针连直径为2μm的细铜线穿过乒乓球,铜线打结,把乒乓球下孔做大,使铜线结能穿过下孔不能穿过上孔,乒乓球可绕铜线自由转动。将悬好的乒乓球固定在参照框,两铜线距离为60 mm、铜线长35 mm。 4.风动器:型号RCY850、额定功率850 W、额定电压220 V、额定频率50 Hz、可吹出≥6 m/s恒定的风,风口可根据实验需要调整尺寸,且可以调成向前吹和向上吹,底托与上部连接处由轴连接,可使上部沿此轴上下转动,底托上按有可调风速开关。 2.4实验部分 1.仪器的调整与校正:将参照框调到距风动器风口30 mm处,调整风口大小,并使风口中心对准两乒乓球的中间,具体条件数据如表1。 2.接通电源。 3.启动风动器。带两个乒乓球静止不动后,启动风动器。首先风速放在慢档上;观察两球相吸和旋转情况。然后再将风速调至快档上,再观察此时两球相吸和旋转的情况。 实验结果表明,当将风速放在慢档上时即可观察到两球相吸的现象,并可清楚地看到两球绕铜线轴旋转的方向不同,且时而相碰;当将风速调大后,两球的旋转速率加快,碰撞频率也增加。两球相吸时,可以长时间维持在一个恒定位置上旋转,此时球间距离大约为5 mm。 根据流体力学原理,向两乒乓球中间吹风时,球会产生旋转,此时球的内侧(两球之间)的旋转方向与风向相同,两球之间会形成负压,在球的内外侧间形成压力差,出现两球相吸的现象。风速越大,所形成的压力差越大,球的旋转速率也越大,看到的两球相吸现象也越明显。由于风速能维持在某个数值不变,因此可以看到两球相吸现象的持续过程。通过此实验现象可以很好地解释旋转过程中球的飞行弧线特点。 实践证明,该仪器可以演示出两球旋转过程中相吸及长时间维系这种相吸位置,持续旋转等实验现象,以解释乒乓球旋转过程中的飞行规律。如:球在空气中以一定速度飞行时,因为乒乓球自身的重量的缘故,会形成一定的飞行弧线。若球同时旋转着,则由于球上下两侧的旋转方向不同,空气气流对球两侧作用的压力不同,因此会使球飞行弧线的曲度发生改变。如果是上旋球,则此时球上下两侧所形成的压力差会使球的飞行弧线比不转球要低、要短,因此缩短了飞行距离,旋转越强,飞行距离越短。下旋球则正好与之相反。 3 各种旋转轴及旋转球的特性 在传统乒乓球教学及训练中,为了解乒乓球旋转的一般规律,按3条最基本的旋转轴加以分析和归类,既左右轴(横轴)、上下轴(竖轴)、前后轴(纵轴)。但因内容比较抽象,目前尚无与之相应配套的教学演示仪(国内外资料表明),使学生很难直观地了解到各种旋转轴及旋转球的强弱区变化规律。为了帮助学生更直观理解各种旋转球的性质,本课题组研制了旋转轴专用的参照框,如图3所示,可以