【科展解析】迴旋奇機~解開珍珠板飛機迴旋的終極密碼

 

想必大家都有看過迴旋標吧！而它是什麼樣的原理呢？那無動力設計的飛機也可以像他一樣迴旋回來嗎？「風箏」是因為有風的力量才會飛起來，那這種珍珠板飛機是不是也是運用同樣的原理呢？想必大家一定會會很好奇吧！以下就來探討迴旋勒機的原理，讓喜歡動手的小小科學家們，做一架特技迴旋飛機來體驗一下吧！

【X博士摘要說明】

1、 尋找影響飛機迴旋的因素及設計原型機。

2、 分析多種風洞的製作方式及準備所需的材料。

3、 設計飛機發射平台與重心測量器。

4、 確立本實驗的研究架構及改變變因。

 

第 5０屆物理科作品
題目：迴旋奇機~解開珍珠板飛機迴旋的終極密碼
作者：臺北縣板橋市江翠國民小學同學們

 

【摘要(原文)】

有別於過去很多研究飛機的科展作品都在探討飛機如何飛得遠、飛得久，本實驗的目的， 主要在尋找珍珠板飛機為什麼能迴旋的秘密及影響它的因素？剛開始我們利用「自製風洞」測 試珍珠板飛機的主翼與水平尾翼之裝置角對飛機產生的迴旋力量，進一步來說明迴旋的原理。 然後試射九種裝置角配對的飛機來測量迴旋直徑，並找出最適合的組合來進行下一步的實驗。 接著，分別改變飛機及發射平台的各種變因，並找出這些變因對珍珠板飛機的迴旋直徑有什麼 影響？最後我們設計各種迴旋飛機的創意造型和技術玩法，並且活用迴旋原理，創造出令人驚 奇的迴旋奇機！建議可應用到教學、健身運動或趣味科學遊戲之用。

 

【X博士步驟說明】

1. 了解一般飛機的構造及飛行原理？  

●主翼 :產生升力，並給予飛機一定程度的穩定性。

●水平尾翼 :保持俯仰方向穩定，因為可以提供一個力矩與主翼產生的力矩抵消，避免飛

機出現頭上腳下或頭下腳上的情形。

●垂直尾翼 :保持水平方向穩定和直線性。

●機身：串起主翼與尾翼，並提供一個可供放置配重的地方。

 

2. 自製風洞及分析珍珠板飛機能夠迴旋的原理？

 

吸管堆積成的「蜂巢管」和二層紗網排成的「整流紗網」。目的在於減少外界 氣流中之紊流，使氣流的紊流強度減至最小，並將氣流切割成更小之渦流，增進氣流的均勻性及穩定性。

3.  測量珍珠板飛機在飛行時所受到的力量

 

實驗結果：

●當主翼或水平尾翼的裝置角不為 0 度時，就會產生一個拉動砝碼的力量。

●當裝置角越大時，所產生的拉力也越大。

●以主翼裝置角+5 度和水平尾翼裝置角-5 度時，或是主翼裝置角+10 度和水平尾翼裝置角 -10 度時來比較，因為面積大小的關係，所以主翼的拉力明顯比水平尾翼大

4. 分析珍珠板飛機迴旋的原理

 

●當珍珠板飛機的機身傾斜 90 度時，若主翼的裝置角為正，在此稱為仰角(例如：+5

度、 +10 度)，前面實驗結果得到會產生一個拉力，這個力量會成為轉彎時所需的向心

力，使飛機轉彎。

●同樣的原理，若水平尾翼的裝置角為負，在此稱為俯角(例如：-5 度、-10 度)，就會

產生 一個向外的推力，這個力會產生力矩，使飛機轉彎。

5.改變「主翼或水平尾翼的裝置角」對飛機迴旋的影響？

●將飛機的機身傾斜角定為 90 度、發射仰角定為 0 度、發射力量定為 200 克。

●將飛機主翼的仰角(0 度、+5 度、+10 度)及水平尾翼的俯角(0 度、-5 度、-10 度)配對成 9 組

 

●若主翼的仰角和水平尾翼的俯角都是 0 度(如 1 號機)就無法迴旋飛回來。

●主翼的仰角或水平尾翼的俯角越大，例如 9 號機(+10，-10)，所產生的拉力或推力就

會越大，迴旋直徑就會越小。

(Ps：因為 7 號機有比較穩定的迴旋飛行，而且設計單純，只有水平尾翼有俯角(-10

度)，故 採用為以後各個實驗的原型機。)

6. 改變「發射力量」或「加上螺旋槳」對飛機迴旋的影響？

●將橡皮筋用鐵釘固定兩端，並用彈簧秤測出彈力分別為 200~400 克的位置。

●使用原型機、傾斜角固定為 90 度、發射仰角固定為 0 度，改變不同的發射力量進行實驗。

 

●發射力量越大，飛機的迴旋直徑越大；反之越小。

 

●加上螺旋槳的原型機，迴旋直徑有明顯的增大，而且飛行的時間變久，也更穩定。

7. 改變「機身傾斜角」或「發射仰角」對飛機迴旋的影響？

●將飛機發射平台的傾斜角，設定為 0~90 度。

●使用原型機、發射仰角固定為 0 度、發射力量固定為 400 克。

 

●當機身傾斜角為 90 度時，飛機會有最大的水平迴旋直徑。

●當機身傾斜角為 0 度時，飛機為向上飛行，雖然也能飛回原處，但以水平的方向來看，水平的迴旋直徑是 0。

 

●發射仰角不管是幾度，迴旋直徑都沒有顯著差異。

8. 改變飛機的「重心位置」或「機首配重」對飛機迴旋的影響？

●將原型機放在自製的重心測量器上，當飛機達到平衡時，支點的位置可以看成是重心的位置。

●改變軟磁鐵(兩片各 0.5 克)與機首前端的距離，分別定為負 0.5cm~3cm，則飛機的重心位置也隨之改變。

●將飛機的傾斜角固定為 90 度、發射仰角固定為 0 度、發射力量固定為 400 克，進行試射。

 

●軟磁鐵與機首前端的距離越遠，即重心位置越往後，飛機的迴旋直徑就會越小；反之越大。

 

●機首配重越重，飛機的迴旋直徑越大。

9. 改變飛機的「機身高度」或「機身長度」對飛機迴旋的影響？

●改變飛機機身的高度，分別定為 2cm、3cm、4cm。

●將飛機的傾斜角固定為 90 度、發射仰角固定為 0 度、發射力量固定為 400 克。

 

●飛機的機身高度越大，飛機的迴旋直徑越大；反之越小。

 

●飛機的機身長度越長，飛機的迴旋直徑越大；反之越小。

10. 改變飛機主翼的各種條件對飛機迴旋的影響？

●固定所有飛機的主翼面積均為 80 ㎠，並將珍珠板形狀裁切成下列的翼型。

●將原型機的傾斜角固定為 90 度、發射仰角固定為 0 度、發射力量固定為 400 克，以不同的主翼翼型進行試射。

●將各種主翼翼型與部分機身，以+5 度的裝置角放入風洞中測量拉力(=升力)，以模擬主翼在飛行改變角度時，在相同的條件下所會受到的力量。

 

●後掠翼 30 度的迴旋直徑最大，前掠翼 30 度的迴旋直徑最小。

●在矩形翼、橢圓翼和梯形翼三者中，以矩形翼的迴旋直徑最大，梯形翼次之，橢圓翼最小。

●主翼在風洞中測得的拉力大小分別為：前掠翼 30 度>橢圓翼>梯形翼>矩形翼>後掠翼 30 度。

 

●主翼的展長越長，則迴旋直徑越小；反之越大。

 

●主翼的弦長越短，則迴旋直徑越大；反之越小。

11. 在固定的主翼面積下，改變飛機的主翼展弦比

●固定所有飛機的主翼面積均為 80 ㎠，並將主翼的展弦比定為 3.2~7.21， 則可找出同樣條件下，展弦比對飛機迴旋直徑的影響。
 

●主翼的展弦比越大，則迴旋直徑越小；反之越大。

12. 設計迴旋飛機各種創意造型及技術玩法

F1 主翼或水平尾翼的裝置角

F2 有無加上螺旋槳

F3 重心位置  

F4 機首配重  

F5 機身高度

F6 機身長度

F7 主翼的翼型

F8 主翼的展長

F9 主翼的弦長

F10 主翼的展弦比

F11 其他(如改變水平尾翼)
         
13. 如何活用迴旋原理，創造令人驚奇的迴旋奇機？

 

數據分析與結論

一、如何讓珍珠板飛機迴旋？

●在本研究中，如果要讓珍珠板傳統機型飛機(有主翼、水平尾翼、垂直尾翼、機身)做水平迴旋，發射時必須機身要有傾斜角，同時主翼要有仰角或水平尾翼有俯角，才能產生迴旋。

●如果是特殊機型飛機(如三角翼機、鳶形機、圓形機)則要將機翼的尾端或前端往上摺，而且發射時必須機身要有傾斜角，才能迴旋。

●如果是飛翼機，發射時機身也要有傾斜角，同時在手擲射時若有一點點攻角就會產生迴旋 的力量，而讓飛機轉彎飛回來。

二、如何增加珍珠板傳統機型飛機的水平迴旋直徑？

●讓主翼的仰角或水平尾翼的俯角變小。

●增加發射力量或機首加上螺旋槳。

●機身傾斜角加大，如 90 度。

●重心位置移到前面或增加機首配重。

●增加機身高度或長度。

●主翼採用升力小的翼型，如後掠翼或矩形翼。

●減小主翼的面積，如縮短展長或弦長。

●若主翼面積相同，可採用展弦比較小的主翼。

以下是評審給的評語

 

【X博士評語】

本研究的題材新奇有趣，而且成本便宜，只需要 1 片珍珠板、2 塊小軟磁鐵或 1 小段原子筆芯，而且不用任何黏著劑，就能夠快速製作好一架迴旋飛機。從理論為基礎、以實作為根據，再加以風洞來模擬驗證，不但可以學習到飛機飛行的原理，還能製作出一架架創意可迴旋的飛機，同時具有特色與挑戰性！