球发射器挑战赛

2020年3月2日 作者 奇先生 0

 

难度 <! – 4 – >
所需时间 短(2-5天)
先决条件
材料可用性 一应俱全
费用 非常低(低于20美元)
安全 没有问题

 

摘要

尝试一下这个工程挑战。你能建立一个”发射器” 设备尽可能地发射球和一个”接收器” 来捕捉它吗?构建接收器为传统的弹射器项目提供了额外的改变。通过使用一组有限的材料来构建您的机器并根据您的投掷距离和使用的材料计算得分,从而增加挑战。

目的

使用工艺用品来建造一个尽可能抛球的发射装置和一个接收装置来捕捉它。

积分

 

Ben Finio,PhD,Science Buddies

该项目基于位于德克萨斯州休斯顿的福陆公司员工设计的”超级足球” 友谊赛。

    • Scotch®是3M的注册商标。

引用本页

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MLA风格

菲尼奥,本。”Ball Launcher挑战赛。” 科学伙伴,2019年1月26日,https://www.sciencebuddies.org/science-fair-projects/project-ideas/ApMech_p052/build-ball-launcher。2019年7月6日访问。

 

APA风格

菲尼奥(2019年1月26日)。 Ball Launcher Challenge。从…获得https://www.sciencebuddies.org/science-fair-projects/project-ideas/ApMech_p052/build-ball-launcher

最后编辑日期:2019-01-26

简介

投掷和接球是你可以轻松与朋友做的事情,而不需要太多考虑。你只是”知道” 如何移动你的手臂,手和手指来投掷和抓住。你能想象建造一个机器来投球吗?怎么知道将球抛出一定距离?另一台机器如何能够在不丢球的情况下接球?这个项目提供了一个有趣的工程挑战:使用常用材料建立一个”发射器” 来投掷球和一个”接收器” 来捕捉它。图1显示了一些示例设备。

球发射器和接收器的不同设计
图1. 启动(左)和接收设备(右)的不同设计。

 

这一挑战让您有机会探索物理和工程方面的一些有趣话题。本背景部分将简要介绍每个主题,而不是详细解释每个主题,然后您可以使用参考书目中的链接进行更多研究。如果您正在为科学博览会做这个项目,不要担心学习所有这些主题。选择一两个以更详细地了解.参考书目有网站可以启动您的学习。

首先,这是了解简单机器的绝佳机会,例如杠杆斜面。您还可以研究用于发射射弹的更复杂的机器,例如弹射器投石机弹弓。想想如何将这些机器的不同方面融入您的设计中。

您也可以使用此项目了解射弹运动。如何初始速度(起始速度)和发射角(物体离开发射器的角度)如何影响其范围(它旅行的距离)?什么轨迹(通过空中的路径)将更容易接球?高而陡峭的轨迹还是低而浅的轨迹?

您也可以使用此项目了解能源。球需要动能,即运动能量,以便在空中飞行。能量来自哪里?它可能来自弹性势能,储存在拉伸材料中的能量,如橡皮筋。它可能来自重力势能,这是存储在从地面升起的物体中的能量。或者,能量可能来自工作你通过施加来做你的手。你的机器如何将一种形式的能量转换为另一种形式?

最后,您可以使用此项目来演示工程设计流程。您可能不会想到机器的想法,坐下来构建它,并在第一次尝试时使其完美运行。您可能需要提出多种设计,测试多种设计,并修改设计以改进它们。这是好的 – 真正的工程师很少在第一次尝试时把事情搞定!

术语和概念

 

  • 简单的机器
    • 倾斜的飞机
  • 复杂的机器
    • 弹射器
    • 分析天平
    • 弹弓
  • 弹丸运动
    • 初始速度
    • 启动角度
    • 范围
    • 轨迹
  • 能源
    • 动能
    • 弹性势能
    • 引力势能
    • 工作

问题

    • 查看资料部分中的项目列表。你怎么能建造一台使用这些材料发射球的机器?
    • 什么能提供发球的能量?
    • 你怎么能在不丢球的情况下制造一些球来接球?

参考书目

材料和设备

如果您只是为了娱乐而开展此项目,或者除了Fluor Engineering Challenge之外的学校科学项目,您可以使用您想要的任何材料。如果您想使用2018年Fluor工程挑战赛(现在结束)所需的相同材料,您只能使用表1中列出的材料和工具。每个项目都有最大允许数量和点数成本(每个)将按照程序中的说明从您的分数中扣除。请注意,您可以切割材料,但不会降低成本;例如如果你把一张纸切成两半而只用了一半,它仍然需要10分。

建筑材料
项目 最大数量 点数成本(每个)
瓦楞纸板底座(最大尺寸12″ x12″或30×30 cm) 1 0
大型纸杯或塑料杯(16-18盎司,或约450-500毫升) 4 50
木尺油漆搅拌器(12″/30 cm) 2 100
(打印机/复印纸,不是建筑纸或卡片纸;字母或A4尺寸) 10 10
木制铅笔(圆形或六边形横截面,约7-8英寸或18-20厘米长) 10 10
橡皮筋(尺寸32,3″ 长未拉伸和1/8″宽) 10 20
大型回形针(约2″ 或50 mm长度) 10 5
卷透明胶带(Scotch®胶带或等效物,1/2″ 或3/4″宽,最大长度500″ ) 1 100

 

 

 

 

<12> x12″或30×30 cm的薄片,紧紧地揉成直径不超过2英寸(5厘米)的球

 

工具和测试材料(无点成本)
项目 注释
纸和笔 用于草拟设计理念
剪刀 用于切割建筑材料
公制卷尺 如果您只有一英寸卷尺,则需要将您的测量值转换为厘米
铝箔片
用于测试的大面积开放空间 至少10英尺或3米

表1。 2018年Fluor工程挑战赛的允许材料。

 

实验程序

 

目标

 

注意:2018年Fluor工程挑战已经结束,但你仍然可以自己做这个项目!

2018年福陆工程挑战赛的目标是使用有限的材料制造一个发射铝箔球的装置(发射器)和另一个接球的装置(接收器)。你的球在被接收器成功抓住之前飞得越远,得分就越多。观看此视频,了解2018年的挑战:

 

 

规则的   

如果您想要遵循2018年Fluor工程挑战赛的格式,您必须遵循以下规则:

 

 

    1. 您只能使用资料部分中的表格中列出的项目来构建启动器接收器。
        1. 列出的最大数量是项目的总数,而不是每个单独的设备。
        2. 不允许使用其他材料。例如,您无法使用LEGO®构建发射器。
        3. 纸板底座必须保持平整。它不能折叠,也不能切割较小的碎片用于施工。
        4. 您可以切割材料(例如,将一张纸切成两半,在杯子上切孔等)。但是,材料的点数成本不是按比例计算的。

       

 

  1. 发射器必须安装在12″x12″ (约30×30 cm)的纸板上,不能伸出纸板的边缘。没有高度限制。
  2. 接收器可以测量不超过12英寸宽,12英寸长(约30×30厘米)。没有高度限制。
  3. 一次只能有一个人操作发射器。
  4. 您可以用双手将球装入发射器。装入后你不能触球。你不能用双手将能量储存在机器中(例如伸展橡皮筋或增加重量),只是为了加载球。
  5. 发射球时,您可以用单手按住发射器的纸板底座。您不能抓住发射器的任何其他部分以稳定它或阻止其移动。
  6. 您只能使用一根手指来激活发射器(如果您用一只手按住底座,您将使用另一只手中的一根手指)。这包括施加力量或储存能量的任何行动。例如,只能用一根手指按压杠杆的一侧,拉伸橡皮筋或将重物举到空中。你不能用你的整只手或拳头敲打杠杆。您不能使用多个手指拉伸橡皮筋,然后使用”触发” 机制,只需一根手指就可以释放它.
  7. 接收器必须是独立的(它不能固定或由人稳定,或用胶带固定在地面上)。测试期间不允许任何人触摸接收器。
  8. 球必须着陆并留在接收器中而不接触地面或其他任何东西(墙壁,人等)。球不能在接收器中滚动或弹跳,或者在最初落入接收器后弹出接收器。如果接收器摔倒,但球仍留在接收器中并且没有接触地面,那就没问题。
  9. 您可以尝试获得更高分数的测试次数没有限制,但每个团队只能提交一个官方分数。

 

设计

 

  1. 确保在开始之前阅读并理解所有比赛规则。
  2. 如果您不确定如何开始设计,请尝试以下提示:
      • 从现实世界或网上看到的其他发射或接收设备中获取灵感,如弹弓,弹射器,棒球投手和手套,碗,篮子和网.
      • 在头脑风暴时描绘不止一个想法.
      • 比较想法 – 请记住,您使用的材料越多,成本就越高.
      • 如果您在团队中工作,请比较和对比您的想法,甚至尝试将它们结合起来以提出更好的想法。

     

 

构建

 

  1. 一旦确定了设计,就构建它。如果您正在与团队合作,您可能希望为组中的每个人分配不同的工作,以确保每个人都有机会参与。例如:一个人可以收集材料,一个人可以将物品放在适当位置,而其他人将它们捆在一起,一个人可以监控设计以确保它与您绘制的草图相匹配。或者,您可以分成子团队,一个团队可以构建发射器,而另一个团队构建接收器。
  2. 您可能需要修改您的设计,即使您正在构建它!例如,您可能会发现两个部分不像您认为的那样合在一起。这是正常的,也是工程设计过程的正常部分。在计算得分时,请务必跟踪您在最终设计中使用的材料(您在早期原型中使用的材料不计算在内,所以不要害怕尝试!)。

 

测试

 

    1. 将一张铝箔(12″x12″ 或30×30 cm)揉成直径小于2英寸的填料。这将是你的”球” 。
    2. 试用你的发射器。尝试用它来发射铝箔球。
        1. 您是否可以按照规则中的说明操作发射器(一个人用一只手按住底座,一根手指用来激活发射器)?
        2. 发射器是否坚固?所有零件都保持在一起吗?它可以经受住反复发射的压力吗?
        3. 你的发射器的射程是多少?你能在多远的距离发球?
        4. 发射器的准确度如何?你能不止一次在地板上同一个地方?
        5. 您是否可以考虑改进发射器的设计?

       

 

    1. 试验您的接收器。尝试使用你的发射器将球发射到它和/或只是将球扔到接收器。请记住,在测试期间无法触摸接收器。
        1. 击中接收器有多容易?改变它的大小或形状是否会影响这个?
        2. 接收器有多稳定?当球撞到它时它会摔倒吗?如果是这样,球是否会留在里面而不接触地面?
        3. 接收器是多么有弹性?球是否会留在球中或从中反弹?
        4. 你能想到改进接收器的任何改变吗?

       

 

  1. 如果您与队友一起工作,请作为一个小组讨论您的观察结果。在开始官方测试之前,您可能想要修改启动器和/或接收器设计。请记住,这没关系!真正的工程师很少在第一次尝试时获得完美的设计。您可以根据需要重新设计,重新构建和重新测试您的设计(如时间允许).
  2. 当您认为自己的设计已经准备就绪时,请继续下一部分尝试正式测试并计算得分(您仍然可以回来并对设计进行进一步更改)。

官方测试

当您准备进行”官方” 测试并计算得分时,请按照以下步骤操作:

 

 

    1. 将发射器和接收器放在一个长而平坦的表面上,如地板或台面。
    2. 使用卷尺测量发射器底座前部与接收器上最近点之间的厘米水平距离,如图2所示。您可以使发射器和接收器之间的距离尽可能大 – 球在成功捕获之前飞行的距离越长,您的分数就越高。距离约30厘米是首先尝试的合理距离.
    3. 将球发射到接收器中。请记住遵守以下规则:
        1. 只有一个人可以操作发射器。那个人可以用一只手按住发射器的底座和一根手指来激活发射器。
        2. 测试期间没有人可以触摸接收器。
        3. 球必须着陆并留在接收器中而不要接触地面。

       

 

  1. 如果您在第一次尝试时没有让球落在接收器中,请再试一次(尝试次数没有限制)。如果您在多次尝试后仍然不成功,则可能需要修改发射器和/或接收器的设计或缩短发射器和接收器之间的距离(请记住,第一次测试时距离为30厘米)。如果您正在与小组合作,请讨论您遇到的问题,并在必要时更改您的设计和/或测试距离。
  2. 如果球落在接收器中,请转到下一部分以计算得分。您可以随时返回此部分以尝试获得更高的分数(更长的距离).

 

球发射器和接收器图
图2. 如何测量发射器和接收器之间的距离。测量从发射器底座前部到接收器上最近点的水平距离。

评分

 

使用以下公式计算得分:

哪里:

 

    • 以厘米为单位的距离是发射器和接收器之间的距离,如图2所示
    • 材料成本是最终设计中使用的所有材料的点数成本之和,如表1所示

 

 

您可以使用此工作表电子表格帮助您计算分数。

提交您的高分

2018年福陆工程挑战赛结束了,但您仍然可以将您的分数与此页面上列出的高分进行比较

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变体形式

 

  • 本次比赛最初由福陆设计,其运动主题以美式足球为蓝本,其中发射设备是四分卫。您可以尝试此项目与不同的运动相关的曲折:
      • 将一个玩具篮球筐安装在桌子或门上,并尝试将球从地板上射入。
      • 通过两个平行的球员发球,就像踢美式足球的射门一样。
      • 将球打入网中,就像在足球或曲棍球中打进球一样。
      • 尝试将球从一定距离的墙上发射出去,就像击中棒球本垒打一样。