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创意机械设计 | 冰雪运动之越野滑雪

物理 小学低年级 小学高年级 初中 科普课程 乐高玩机械

教学目标

配合冬奥项目中的越野滑雪运动,使用机械结构模拟越野滑雪运动员的运动原理讲解了物理知识——摩擦力的种类及大小。
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建议时长

40分钟
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科技学堂

越野滑雪项目介绍 2分钟

        越野滑雪借助滑雪用具,运用登山、滑降、转弯、滑行等基本技术,滑行于山丘雪原的运动项目。起源于北欧,又称北欧滑雪,是世界运动史上最古老的运动项目之一。


越野滑雪运动方式 5分钟

        越野滑雪运动员通常的运动原理有两种:

        其一是通过双脚带动滑雪板进行运动,首先是双脚与滑雪板全都面向正前方,之后一只脚(这里以先动左脚为例)向斜后方蹬地,另一只脚(右脚)控制另一只滑雪板保持方向向前,通过左脚的滑雪板与地面之间的作用力与反作用力将身体向前推出,随后回归到双脚向前的姿势,换另外一只脚蹬地,如此反复。

越野滑雪1.png

        第二种方式是双脚与滑雪板同时保持向前,依靠双手所持的雪仗从前向后推动身体,向前移动。这也就是我们本次课程要做的滑雪机器人的运动方式。

越野滑雪2.png

滑雪的原理 5分钟

        上述的两个姿势其实在我们实际生活中也可以进行模仿,在一定的条件下我们也可以通过这两种方式向前行进,我们可以在下面的几个地点进行尝试。

越野滑雪3.png

        可以发现在越光滑的地方,我们就可以“滑”出去,或者是“滑”的更远,这其实是摩擦力的作用。


1.什么是摩擦力

        摩擦力是一种阻碍物体相对运动(或相对运动趋势)的力。摩擦力的方向与物体相对运动(或相对运动趋势)的方向相反。比如我们想要推着一个箱子向前移动,那么箱子与地面之间的摩擦力就是向后的,不让箱子向前移动。

越野滑雪4.png

2.摩擦力的种类

        摩擦力又分为静摩擦力、滚动摩擦、滑动摩擦三种,在我们移动同一个重量的物体时(以推箱子举例),物体在被推且未发生移动前所收到的力为静摩擦力;在物体被推动且进行速度不变的移动时所收到的力为滑动摩擦力;在物体底部加上轮子或可滚动的物体时收到的力为滚动摩擦力。

        一般情况下,为了让物体向一个方向移动,需要给予物体一定大小的力用以抵消掉摩擦力,而给予物体的力的大小对应不同种类的摩擦力可以大致的理解为:

为了抵消滚动摩擦力的力最小,只需要给予一个很小的力就可以让物体移动起来;

越野滑雪5.png

        接下来是静摩擦力,在物体受到开始推的力开始就同时受到了静摩擦力,直到物体被推动前一直都持续受到静摩擦力,所以静摩擦力是一个大小变化的力;

越野滑雪6.png

        而当给予物体的力达到一定的大小后,静摩擦力不再能够让物体停止时,则开始受到的是滑动摩擦力,需要抵消滑动摩擦力的力也是最大的;

越野滑雪7.png

        像我们课程开始所介绍的越野滑雪运动,就是一种典型的滑动摩擦力,运动员们使用不同的方法,无论是靠一只脚蹬地还是依靠手中的雪杖撑地而产生的力,都是用来抵消滑动摩擦力的。

3. 摩擦力与那些因素相关

        摩擦力其实与两个关键因素有关,第一个是接触面的光滑程度,在移动同一个物体的时候,接触面越光滑则所产生的摩擦力越小,而越粗糙则摩擦力越大;

越野滑雪8.png

        第二个是接触面所收到的压力,最直观的压力是由物体的质量或者说是重量施加的,相信这个比较好理解,推动一个箱子与推动两个箱子的时候,所需要的力是不同;

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模型拼装 20分钟

        接下来我们根据给出的图纸对模型进行拼搭,并测试我们的滑雪机器人。

越野滑雪10.png

探究性学习 8分钟

①我们的滑雪机器人能否很好的向前移动呢?

②如果能,怎样才可以让我们的滑雪机器人更快的移动?

③如果不能,如何才能让滑雪机器人移动起来?

 

可提供的解决方案:

1. 放在更光滑的地面上;

2. 将滑动摩擦转换为滚动摩擦;

3. 将滑雪机器人放在向下的斜坡上,让重力也提供一定的帮助来抵消摩擦力;

4. 让滑雪机器人变的更轻。


使用器材