楞次安全控速观光降道设计

罗彬宾

（常州信息职业技术学院 常州市高端制造装备智能化技术重点实验室，江苏常州 213164）

0 引言

在儿童玩乐中潜移默化地传授科技知识，更能激发儿童对科技的兴趣。本文从电磁感应现象出发，针对一些游乐场所的高空项目设计了一种楞次安全控速观光降道[2]，这种观光降道既新奇刺激，又容易理解解释，可以很轻松地将其原理传授给游玩的儿童，不但成本低，而且安全无害，材料很容易获取，家长还可以很轻松地在家里重复其过程，因此其极具教育意义。

1 理论和实验支撑

根据楞次定律：感应电流的磁场总要阻碍引起感应电流的磁通量的变化[3]。而且麦克斯韦进一步地阐述道：无论空间是否有导体，变化的磁场空间都会出现感应电场[4]，即为涡旋电场，涡旋电场的电场线是闭合的[5]。为了研究和验证这些理论，各类研究人员做了各种各样的实验仪器，比如有楞次环[4,10]、感应线圈[9]、金属管道[6-8]等，甚至有研究指向更为普遍性的情况，即非闭合导体的电磁感应现象[4,8]。很多研究人员给出了详尽的实验数据。为了更直观地观察这种电磁感应现象，设计了一个磁铁在金属管道中运行的实验仪器。如图1所示，该实验为了防止楞次试验仪材质对实验的影响，除金属管外其他部件均非导体材质，其中弹性层是由硬度低的材质构成，以免磁铁直接与硬度高的基座碰撞而损伤磁铁。实验用的磁铁为钕铁硼磁铁（φ20 mm×20 mm）；两种铜管均为紫铜铜管且其外圆直径均为φ28 mm，其长均为500 mm，壁厚为2.5 mm，其中带缝（单缝）铜管的缝宽为1 mm；铝管外圆直径为φ28mm，其长为500 mm，壁厚为2.5 mm。对磁铁在每种金属管中运行的时间测量了5次，测量结果如表1所示。

图1 楞次实验仪

表1 圆柱磁铁在金属管中的运行时长 s

从表1中可以很清楚地观察到，圆柱磁铁在同等条件下经过不同金属管的时间是不同的，金属管侧的缝隙对下落时间的影响是比较大的。通过这些数据对比发现，这个圆柱磁铁在金属管中的下落时间与清华大学黄志雷等[6]在《圆柱形磁铁在金属管道中的下落时间》一文中给出的公式基本一致,即

式中：r为金属管半径；a为金属管壁厚；l为金属管长；B为磁通密度；ρ为金属管电阻率。当然这个公式只适用于无缝的金属管，而对于带缝的金属管其偏差就显得较大了，但是不管何种条件磁通密度B对磁铁在金属管中下落时间的影响是直接而又有效的。

在实验中不但测得了一系列数据，也观察到以下现象（如图2）：圆柱磁铁在无缝金属管中从管口上方下落过程中，下落速度会在极短的时间内达到匀速，且圆柱磁铁均会沿着金属管的轴线匀速下落，如果圆柱磁铁轴线在管口上方非竖直状态，其在下落中会迅速调节为竖直状态沿着金属管的轴线匀速下落，且其自身还会有一个微弱的绕轴线自转状态。而对于带缝的金属管，磁铁下落速度也会迅速达到匀速状态，不管圆柱磁铁的轴线在管口上方是否竖直，圆柱磁铁的轴线都会迅速调整到竖直状态并紧贴缝口匀速下落，下落过程中由于磁铁柱面紧贴金属管缝口下落产生刺耳的滑动摩擦音，并且其本身没有出现自转现象。

图2 圆柱磁铁在金属管中下落状态

2 楞次安全控速观光降道的整体设计

根据所知的理论以及上述的实验，我们可以清楚地认识到，磁通密度和金属管的各种参数对圆柱磁铁的下落时间影响很大的，但是如果设计高空游乐项目，我们很难在已经设定的情况下改变金属管的各种参数，唯一可以轻易改变的是磁通密度，要控制圆柱磁铁在给定的金属管道中运行时间，就必须得改变圆柱磁铁的磁通密度。因此根据这些条件为高空游乐项目设计了这样一个楞次安全控速降道[2]。

如图3所示，该楞次安全控速观光降道是由绞盘、缆线、观光舱体及金属管道、旋转矫正台等组成的。其中观光舱体的轴线在缆线和重力的作用下与金属管道的轴线基本一致，且金属管道的管口直径稍大于观光舱体的直径，这样观光舱体就可以轻松地落入金属管道之中了。我们通过滑轮、缆线及绞盘让观光舱体保持在金属管道上方，当突然放开绞盘的制动系统或断开缆线与观光舱体的连接，那么观光舱体在重力的作用下就会下落到金属管道中，如果观光舱体本身还是一个磁铁的话，那么观光舱体在短暂加速后匀速在金属管道中缓缓下落，既安全又新奇，可以激发观光者对其工作原理的探索，以达到寓教于乐的目的。当然如果观光舱体在无缝的金属管道中下落的话，长距离的相对密闭空间对观光舱体中的乘坐人员的心理是一个很大的考验。一个相对密闭的空间且无法看到外面的情况会让部分乘坐人员心生恐惧，可能会导致其不适，因此我们根据图1实验所观测到的现象，在金属管道观看风景的一侧开一个可供观光的缝隙。这个缝隙的设计，不但可以为乘坐者提供较好的观光视野，也可以给予乘坐者一定的心理安慰，因为观光舱体是紧贴缝隙下落的，乘坐者可以目视观光舱体紧贴金属管道缝隙两侧悠然滑落，这个过程可以极大地满足乘坐者的心理安全需求。

图3 楞次安全控速观光降道示意图

3 金属管道及观光舱体的设计

对于高空游乐项目来说，其与地面距离很长，那么整体式的金属管道是极其不合理的，既不利于制造，也不利于安装，因此金属管道可以根据需要分段制作。其最底部的一段缝隙（如图3）设计得较大，这样可以方便观光者出入。至于观光舱体（如图4），其上部为乘坐区，下部为电磁铁区。乘坐区是由支撑框架与透明移动门等组成，其作用是在保障体验者乘坐安全的同时，也为体验者提供良好的观光体验。而电磁铁区的作用是，可以根据体验者的刺激偏好调节电磁铁的磁通密度，当体验者属于害怕高强度刺激的那一类游客时，那么就增强其磁通密度，以减慢观光舱体在金属管道中运行的速度，反之则减弱其磁通密度。

4 观光降道的安全设计

对于高空娱乐设备而言，相对于游乐体验，游客的安全才是最重要的。虽然在实验中，圆柱磁铁下落过程稳定且安全，但我们不能排除其失效的可能性。导致其失效的最大可能性有两种：一种是圆柱磁铁的磁性失效；另一种是外部偶发性失效。对于圆柱磁铁磁性失效，也就是其突发性无磁，那么圆柱磁铁就会在金属管道中做自由落体运动，如果没有防护措施，那么其危害性是可想而知的。至于外部偶发性失效，从部分楞次实验[9]可以看到：楞次实验过程中感应电流可以轻松地点亮LED灯。根据能量守恒定律可以断定：感应电流的流出会极大地损害金属管道对圆柱磁铁下坠阻力的作用，那么圆柱磁铁很容易在金属管中做类似自由落体运动。为了验证是否会发生此种现象，在图1实验仪上的金属管上缠绕铜线与LED灯相连。可以很清楚地观察到，当圆柱磁铁下落时，LED灯迅速点亮，且圆柱磁铁在极短的时间内掉落到弹性层上。由此可见，当感应电流偶发性流出时，金属管对圆柱磁铁的下落阻力会变得极其无力。由于当圆柱磁铁在有缝金属管中下落时，圆柱磁铁会紧贴金属管缝口下滑，发出刺耳的滑动摩擦音，因此为了防止可能发生的安全隐患，在观光舱体电磁区的支撑框架上面向金属管缝隙的一侧均匀安装两列滚轮（如图4），滚轮上安装压力传感器。滚轮的滚动可以消除滑动摩擦产生刺耳的噪声，压力传感器可以起到示警的作用，也就是当观光舱体在下坠过程中压力传感器的数值发生非合理范围内变化时，可以迅速绷紧缆线，以阻止观光舱体继续下坠。当然为了进一步保障体验者的安全，防止极端现象的发生，我们在金属管道的底部设计了图5所示的旋转矫正台。该旋转矫正台由旋转台、弹性承重台、弹簧、基座、电动机等组成。其中旋转台可由电动机带动，用来矫正观光舱体下落过程中可能的自转导致的舱门失位，防止体验者无法正常地从舱门出入，而滚珠的作用是减小旋转台与弹性承重台之间的摩擦，减轻电动机的负担。弹性承重台的作用是：当所有安全措施失效时，观光舱体呈自由落体下坠时，弹性承重台保障体验者在极端情况下安然无恙地离开。

图4 观光舱体

图5 旋转矫正台

5 结语

从游乐的角度出发，根据常见的电磁感应现象，设计了一款楞次安全控速降道。利用圆柱磁铁在非对称金属管道（单缝金属管道）下坠运动现象，使用滚轮消除滑动摩擦噪声，利用压力传感器间接监测圆柱磁铁在非对称金属管道坠落速度，以保障其运行安全。并在非对称金属管道基底处设计了旋转矫正台，以保证极端情况下体验者的人身安全。