STEM活動課堂「飛行夢想」——初探四軸飛行器 3/10/2018

STEM午間活動「飛行夢想」來到第三天,今天的主題是探討四軸飛行器。

四軸飛行器(Quadcopter),故名思義,是使用四軸旋翼提供升力的飛行器。四軸飛行器與直升機同樣是利用旋翼(螺旋槳)推動,不同的是直升機通過調整主旋翼的角度前進,通過垂直的尾旋翼來抵消主旋翼的反作用力及調整角度,而四軸飛行器只有四個固定在水平角度的螺旋槳。那麼,四軸飛行器如何調整飛行的角度呢?

原來,四軸飛行器通過調整不同旋翼之間的相對速度來調節推力。例如,如果想要令四軸飛行器往前飛行,就要減少前方旋翼的動力,增加後方旋翼的動力,飛行器就會向前傾斜運動。在本次活動中,同學們會有機會親身體驗操縱四軸飛行器的滋味。

STEM活動課堂「飛行夢想」——製作螺旋槳飛機 2/10/2018

STEM午間活動「飛行夢想」來到第三天,今天的主題是製作螺旋槳飛機。

螺旋槳飛機是一種典型的固定翼飛行器,在二十世紀前期被廣泛應用於民航及戰鬥中。爲甚麼螺旋槳能爲飛行器提供動力呢?這是因爲螺旋槳槳葉「前仰後彎」的形狀,根據白努利定律造成氣壓的差異。根據牛頓第三運動定律,螺旋槳通過將空氣向後推,空氣的反作用力爲飛機獲得向前動力。

在今天的活動中,同學們在裝上螺旋槳的木質骨架上貼上昨日使用iPad風洞app設計的機翼,以實踐的方式試驗自己的設計能夠實現飛行的夢想。

STEM活動課堂「飛行夢想」——設計飛行器 27/9/2018

STEM午間活動「飛行夢想」來到第二天,今天的主題是設計飛行器。

在歷史上,人類對飛行器的設計層出不窮,在神話傳說和影視作品中的設計更是充分發揮了人類想象力的神奇:用蠟粘貼羽毛的伊卡羅斯之翼、把火箭綁在椅子上發射的萬戶飛天椅、在夜空中嗡嗡作響的UFO、以不明原理漂浮在天空的空中城堡……

不過,在現實中設計飛行器又要考慮甚麼因素呢?要設計出重於空氣卻能自由翱翔的飛行器,首先要考慮兩大因素:動力與外型。動力系統要提供足夠的推力,而外型設計則要考慮它對阻力與升力的影響:阻力太大,飛機難以前進;升力太小,飛機無法懸空。阻力與升力,主要來自與飛機前進時空氣往後流經物體外型產升的氣動效應(見昨日所學的「白努利原理」與「寬達效應」),所以設計飛行器會用到風洞(Wind Tunnel),以人造氣流方式測試氣流對該外型的氣動效應。

在今天的活動中,同學們使用「Wind Tunnel Free」App,在iPad中畫出他們理想中的飛行器,便能模擬風洞實驗,記錄阻力與升力,設計出下次活動中製作飛行器的藍圖。

STEM活動課堂「飛行夢想」——紙飛機與飛行理論 26/9/2018

2018-19年度第一次STEM午間活動正式開幕!今次活動的主題是探討航空原理的「飛行夢想」。

飛行,是人類自古以來便追求的夢想,引來無數科學家、發明家及工程家做出嘗試。然而,不少實驗以悲劇收場,載行直到1783年孟格飛(Montgolfier)兄弟製作載人熱氣球方能實現。1903年,萊特(Wright)兄弟製作了第一台有人駕駛的固定翼飛行器——可是,不會撲翼、沒有向上動力的固定翼飛行器又是如何保持飛行呢?

本次活動中,我們以紙飛機這一家傳戶曉的玩具,學習難到了無數古人的飛行原理。

根據牛頓第一定律,若施加於某物體的外力爲零,則該物體的運動速度(方向及幅度)不變。在紙飛機的飛行中,我們可以觀察到有四種力影響紙飛機的飛行:向上的升力(Lift)、向下的重力(Gravity)、向前的推力(Thrust)及向後的阻力(Drag)。若要令紙飛機不會一下子被重力拖得墜機,便需要有向上的升力。總括而言,除了投擲紙飛機的角度,升力一共有三個來源:

  1. 牛頓第三定律:物體受外力作用時,必定產生反作用力於施力者,作用力與反作用力大小相等,方向相反 。機翼對空氣施加力往下推,空氣將機翼還以反作用力往上推。
  2. 白努利原理(Bernoulli’s Principle):流體(氣體或液體)流速越慢,壓力越大 。因爲機翼形狀與投擲角度的緣故,機翼上方的空氣流速較快,壓力較小,上下壓力差令飛機獲得升力。
  3. 寬達效應(Coandă effect,又名附壁效應):流體(氣體或液體)有離開本來的流動方向,改為隨著凸出的物體表面流動的傾向。氣流離開上翼凸出表面時往下,形成向上的反作用力。

在老師解釋原理後,同學們便摺出五花八門的紙飛機,探討紙飛機外型對飛行過程中的影響:尖頭飛機還是鈍頭飛機有甚麼優劣之處?大翼機與小翼機有何分別?側翼與尾翼分別會產生怎樣的效果?

資料來源:維基百科

STEM活動課堂「光怪陸離」——浮空投影 17/5/2018

STEM午間活動「光怪陸離」來到最後一天,今天的主題是製作浮空投影器。浮空投影,故名思義,便是讓影像「浮」在空中的技術,而我們今天製作的浮空投影器,可以讓影像「浮」在小小的梯形立體。究竟這是怎樣做到的呢?其實,這應用了我們在活動前兩天學習的立體製作法,反射定律與錯覺成像。

浮空投影器由四塊梯形膠片和一塊正方形膠片組成。使用這五塊膠片構成摺紙圖樣後,就能構築出一個開口的立體梯形。將浮空投影器放在熒幕上,影像發出的光線入射到調整好角度的膠片後,經過反射進入眼睛。大腦在處理這個影像時,以為這個影像的位置位於立體投影器,形成「立體的虛像浮在半空」的錯覺。我們也可以調整膠片的角度,以改變光線的入射角與反射角,從而設計出最適合觀賞立體影片的角度。

 

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