乒乓球流体力学高压实验演示仪的研制

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2～3cm,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20mm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330mm、宽140mm、高20mm,中轴前有底槽长100mm、宽5mm,座底下面四角粘有4个胶皮垫。2.参照框由A1钢板制成长140mm、宽105mm的长方型、支架高90mm,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40mm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60mm、铜线长35mm。4.风动器:型号RCY850、额定功率850W、额定电压220V、额定频率50Hz、可吹出≥6m/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30mm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5mm。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,可以用图3所示的参照框替换图1中的参照框,构成乒乓球旋转轴演示仪如图4所示。3.1设备的基本结构图3和图43.2观察的基本程序在知识的学习过程中,主要有以下几个1.该仪器所采用的底座和风动器与压力差实验演示仪的相同。2.参照框由A1钢板制成直径200mm的圆形、支架高90mm,支架底与底槽连接,可使参照框随着支架沿底槽前后移动和旋转方向。3.乒乓球为40mm、重2.70克标准球,沿乒乓球轴心开两个大小不同的针孔。先以一个孔为圆心,分别用圆规以5mm、15mm为半径,沿乒乓球的圆周画上两个圆,再以另外一个孔为圆心,重复操作。此时乒乓球体上分出5个圆带区,将圆带区涂上颜色,从一个孔出发,依次是黑色、红色、蓝色、红色、黑色。用针连直径为8μm的细铜线先打结后再穿过乒乓球轴心,在铜线另一端再打结,使乒乓球在两结中间并可绕铜线自由转动。将穿好的乒乓球固定在参照框圈上,使其可在参照框圈内任意调整位置。1.仪器的调整与校正:将参照框调到距风动器风口30mm处,调整乒乓球旋转轴(横轴或竖轴),并使风口中心对准乒乓球的上部或下部。2.接通电源,启动风动器。观察乒乓球按横轴、竖轴或斜45°轴旋转情况及乒乓球上不同颜色区强弱转的变化。3.转动仪器,使乒乓球旋转轴调至纵轴,再打开动器风,观察乒乓球按纵轴旋转情况。3.4旋转现象的观察与解释实验结果表明,当将乒乓球旋转轴调至横轴,向乒乓球上部或下部吹风时即可观察到球按此轴向前、后持续旋转现象,以此解释向前转为上旋球,向后转为下转球;当将乒乓球旋转轴调至竖轴时,向乒乓球左、右部吹风时即可观察到球按此轴向左、右持续旋转现象,以此解释向左转为左侧转球,向右转为右侧旋球;当将乒乓球旋转轴调至纵轴时,向乒乓球左、右侧部吹风,即可观察到球绕此轴按顺时针方向或按逆时针方向持续旋转现象,以此解释球绕此轴按顺时针方向旋转为顺旋球,绕此轴按逆时针方向旋转为逆旋球。当将乒乓球旋转轴调至斜45°轴,乒乓球按此旋转时,以此解释乒乓球不规则旋转及符合旋转。另外,在乒乓球旋转过程中,可以清楚地看到它的色带区的旋转速率不同,由大到小的次序为兰色、红色、黑色带区。这说明在乒乓球旋转过程中各个部位的旋转强度不同,离旋转轴(铜线)最远的兰色区域最强,离着最近的黑色部分则旋转最弱。通过此实验现象可以让学生更好地明白乒乓球旋转过程中的旋转特征,在回击球时,击球点位不同,打出的球的飞行弧线则不同,为了避免“吃”转,可避开强转区。为了辅助教学,课题组研制的乒乓球旋