影响气垫船摩擦系数参量的实验研究

邢方舟

摘 要：本研究主要讨论气垫船模型在实际应用时受到摩擦时的主要影响因素，合理提出假设后设计实验对CD-气球模型进行了精确实验，确保了实验结果数据的准确度，最后通过对比的方式得出了影响摩擦的主要因素。

关键词：气垫船；摩擦；气垫船模型；拖拽实验

该课题取材于2015年IYPT（国际青年物理学家锦标赛）中的一道题目，我们做了适当的变化使其成为了研学的课题。

（1）背景：

将一张CD光盘和一个充满气的气球通过一根管子连接。漏气时可以升起装置使其以低摩擦漂浮在一个表面上。研究相关参量如何影响“低摩擦”状态持续的时间。

（2）目的：本课题旨在通过科学的研究方法解决无论是在工程学还是流体力学中都有一定意义与研究价值的气垫船动力学问题，该问题的解决有助于推动气垫船在生活中的应用与普及，可为未来气垫船的工程学改进提供理论方向与基础。

（3）模型展示：（右图）

根据理论推导我们得出了气球喷出气体流量与时间的关系，在此我们得出：

1.半径越大，放气速度越快；

2.时间越长，放气越慢；

3.半径和时间的关系近似为指数形式；

4.我们将在下一步的实验中通过实验对气球及气球气流对于气垫船的摩擦状态的影响进行探究。

2.实验

（1）预实验

实验材料： 标准CD-ROM光盘（光面朝下） 课桌（已擦净） 普通吸管（未与光盘接口密封）

实验现象：

①、用较小力气吹：光盘稳定飘浮在桌面上，摩擦力与系数降至极低。

②、用较大力气吹：光盘不断以较高频率进行振动拍击桌面，摩擦力与系数较高。

预测：对于实验中的主要影响因素应当是气流的强弱与大小。在实际实验中，喷管与光盘接口需密封紧，要逐步控制气压与喷出气流。

（2）气球的参量的测定：

直径12cm；小孔直径1.5cm；质量14.4g；导管长13cm

（3）进行气垫船实验基础准备

①、确定桌面平整

②、确定桌面干净

③、组装器材

（4）有关数据：

（5）数据分析

经过多组实验，我们总结出气垫船的低摩擦持续时间与气球直径呈正相关关系。其气球悬浮时间与初始体积成近似线性正相关的关系，且与总质量呈负相关关系。其中前者较好的符合我们理论的验证。

（6）误差分析及优化

问题一：测量摩擦力时拖拽会造成光盘失去平衡增大摩擦，且会影响气球出气。

优化：经过多次使用悬挂法找出结构重心，后将拖拽点改在重心处可避免结构倾斜。

问题二：手拖拽结构会使结构产生加速度导致气球摇摆导致出气的不均匀。

优化：对于问题二，我们放弃手拖拽，采用有定速的轨道小车进行拖拽。

问题三：气垫船不稳定时与水平面有倾角，造成气体斜喷，气垫船出现抖动。

优化：减少导管长度，降低气垫船重心位置。

3.结论

（1）CD～气球模型的结论

经过实验，我们推出的气球的相关关系：

气球直径与气流，气流与时间的关系：气球喷出气流大大减小了光盘与地面间的摩擦力。其中低摩擦状态的持续时间与气球直径呈正相关，半径越大，其放气速度越快，时间越长，放气越慢，半径和时间的关系近似为指数形式，其气球悬浮时间与总质量呈负相关关系。

（2）关于具体模型的推想

由于条件限制，我们所能做的实验均是具体情况的近似：CD～气球模型为实物气垫船的近似模型；我们在这个简易模型中测定的物理量也可与实物模型中的物理量一一对应：

气体体积>>气垫船中的动力原料容量；

气球>>气垫船中的动力源装置；

光盘与地面间的摩擦力>>气垫船与水面间的摩擦力

气球悬浮时间>>气垫船运行时间

气球放气速度>>气垫船喷气速度

参考文献

[1]凌智勇等《微流动的研究现状及影响因素》，江苏大学学报（自然科学版），2002，23（6）page3

[2]何枫，谢峻石，杨京龙 《喷嘴内部流道型线对射流流场的影响》 应用力学学报

[3]Charles de Izarra and Gr ?egoire de Izarra《Stokes equation in a toy CD hovercraft》，part 3. “Theoretical approach”