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零件數

學習風帆及翅膀運作的物理原理

安全資訊 警告 本產品不適合3歲以下幼兒使用。 窒息風險- 小零件可能會被誤食或不慎吸入。 彩盒以及說明書包含了重要的資訊, 請把它們收好。 所有利用浴缸、盆子 、兒童塑膠泳池進行的有關水的實驗，都需要有父母或其他成年人的陪伴 。 絕對不可以在水的附近使用電風扇或是其他的電器用品。 請不要把組好的模型往別人或動物身上亂丟。 測試滑翔機模型時，確保 他人以及動物都在飛機的射程之外。 當把竹榫插入塑膠零件時，要格外的小心。 如果你用力過度的話，它們 可能會分岔、裂開、甚至折斷。 注意安全，不要受傷了。

產品內容 1

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90度轉接頭 (1) 三孔超長條 (1) 雙向三孔長條 (1) 三孔長條 (1) 1/4 圓長條 (1) 浮筒支架 (4) 五孔超長條 (1) 浮筒 (2) 叉形條 (3)

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輪子/ 螺旋槳推進器 (3) 扳手 (1) 21CM空心管 (2) 2CM竹榫 (3) 弧形扁長條 (2) 長結合鍵 (7) 軸承栓 (6) 風帆 (1)

你同時還需要一個有風的場地來測試你的模型，一台電風扇來進行室內的實 驗，一個浴缸或者是洗臉盆的水來進行帆船實驗。

哈囉~ 超級水手! 準備好要組裝幾台很酷炫的風帆車和帆船了嗎？本產品可以組裝五種利 用風力推動的交通工具，以及一個風向指示計。 讓我們仔細研究在它們背後 隱含的物理現象，並學習風帆如何像翅膀一樣駕馭風的力量來產生推力。說 明書會當你的好幫手喔！

1

單元

在陸地上御風而行

1

組裝風帆車 1

請跟著這麼做： 1

組裝三個輪軸組：把兩個軸承 栓裝進叉形條的凹孔後，將輪 子的中心點和兩個軸承栓對 準，接著插入竹榫來將輪子就 定位。

2

將一個三孔超長條插入其中一 組輪軸組。

3

使用兩條弧形扁長條、一個三 孔長條、兩個輪軸組、以及 四個長結合鍵如圖示般組成 底盤。

x3

2 3

2

4

將空心管穿過三孔長條且插入第三個輪軸組 來做為桅桿。（空心管有可能已經和風帆組 合好了。）

5

將風帆套上桅桿（如果還沒 有組好的話）。 將另外一根 空心管穿過風帆後方的洞， 並插進後方的兩個輪軸組 中， 作為風帆的下帆桁。

6

風帆車完成了！ 按照下面的 說明來測試吧！

測試風帆車 你可以選個有風的日子在戶外測試風帆車，或者是在室內利用電風扇 產生比較容易控制的氣流來測試它。 把風帆車背對風來的方向放好並放 開它，這時候空氣中移動的分子會撞擊風帆的表面，這些粒子施力在風帆 上，對風帆以及和其結合在一起的車體產生了加速度。 車子移動了！ 就在 同時風帆也對空氣粒子產生反作用力，降低了這些粒子的速度。 然而由於 風力源源不斷，所以這些減速的粒子並不會讓風停止。 這種運動現象稱為順風航行。逆風航行的物理原理會在第11頁說明。 3

組裝捕風車 這台車運作的原理類似風標一 樣，可以”捕捉”並利用風的 力量。

請跟著這麼做： 1

組裝三個輪軸組：把兩個軸承 栓塞進叉形條的凹孔後，將輪 子的中心點和兩個軸承栓對 準，接著插入竹榫來將輪子就 定位。

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x3

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使用兩個弧形扁長條、一個三 孔長條、兩個輪軸組、以及四 個長結合鍵來組成底盤。 3 將風帆套上桅桿（ 如果還沒有裝好的 話），並將桅桿一 端插進底盤上的三 孔長條。 接著把 桅桿的另一端插入 三孔超長條，並將 其插進第三個輪軸 組。 （注意圖示三 孔超長條和輪軸組 結合的角度。）

4 將作為下帆桁 的空心管穿過 風帆底部的兩 個孔，並插進 前輪軸組。

5 你的補風車完成 了！ 依照下面的指 示來測試吧！

測試捕風車 如同風帆車一樣，你可以挑個有風的日子在戶外測試你的捕風車，或 是在室內利用電風扇產生比較容易控制的氣流來測試它。 將車子背對風來 的方向放好然後放開它。 空氣中移動的粒子進入了捲成圓錐狀的風帆後，撞擊在圓錐的內面 上，向前推進車子。 相對於第一個模型來說，這台車有比較高的空氣阻 力，因為空氣粒子沒有辦法順順地滑過風帆後離開。 它們進入了圓錐體後 四處亂撞，一直到被更多持續進來的空氣粒子推擠出去為止。 比較起來捕風車和前面那台風帆車哪個跑得比較好呢？ 你可能會注意 到, 捕風車跑得比較快，然而比較不穩定。 圓錐狀的風帆會產生很多的亂 流（紊亂而不規律的氣流）而擾亂了車子的運動。

5

!

動動腦

風帆車的 物理原理

順風航行 運 動

風帆車以及帆船靠類似的方式，利用風來產生 前進運動。 帆船需要利用穩向板來把力導引成前進 的運動，而風帆車則靠輪子來達到這個目的。 風帆 在三種情況下可以發揮功用：

風

(1) 如果風是從後面吹來，風可以直接推在帆上而 讓船體/車體前進，這稱之為順風前進。 風

運 動

(2) 如果風是從側面吹來，風會被風帆導引轉向後 方，從而提高了風的速度而使船體/車體前進。 這 股綜合作用力具有很強的側向分量，不過穩向板 或輪子抵抗了這股側向力，保持船體/車體持續前 進，這稱之為側風航行。 側風航行 (3) 如果風向相對是來自前方，那麼風帆必須要被 紮得很緊，此時風帆作用就像是一片翅膀一樣，藉 由流經兩個表面的空氣流速不同，產生一股垂直於 帆面的上升力。 同樣的穩向板抵銷了力的側面分 量，只留下前進分量推進船體， 這稱之為迎風航 行。 本產品的各種模型，在順風前進的狀況下跑得最 好，而在其他兩種情況則很難有好表現。 然而你還 是應該實驗看看各種可能性，說不定你會被自己的 潛力嚇一跳喔！ 穩定平衡

風 運 動

迎風航行

不穩定平衡

穩定性 帆的中心點

帆的中心點 風的能量

風的能量

車輛的重心

車輛的重心

6 臨界線

臨界線

風帆車的輪子以及相 對比較低的重心讓車 體可以保持平穩而不 會翻覆。 如果風力太 強，而把車子的重心 推高到越過了臨界線 的話，車子就會翻覆 了。

單元

2

在水上航行

組裝風帆雙體船 x2 我們來打造一艘具有兩個船體 的雙體船！

請跟著這麼做：

3 將空心管從風 帆中抽出來。 利用空心管將 三孔長條的另 外一端和另外 一個叉形條連 接起來。

1 將兩個浮筒支 架插入叉形 條，做出兩個 這樣的組合。 2 用兩個長結合 鍵將三孔長條 和叉形條連接 起來。

4 將兩個浮筒插 入浮筒支架 中。 5 如圖示的方法 組合下帆桁。

7

6 將下帆桁插入 桅桿。

7 將風帆滑入桅 桿，用兩個軸 承栓固定風帆 的底部。

8 大功告成！ 按 照下面的說明 來測試你的帆 船吧！

測試風帆雙體船

8

你可以在浴缸裡、大盆子裡、或是小朋友用的塑膠游泳池裡測試你的 雙體船。 確認有大人在一旁幫助你，絕對不可以在水邊使用電扇或其他電 器設備喔！ 你的帆船會隨著風吹過去的方向前進， 這個稱之為下風方向。 風吹過 來的方向則叫做上風方向。 空氣的粒子推動了風帆，產生了一股把船體往 相反方向推動的作用力。

組裝風帆小艇

2 將空心管插進三孔超 長條，然後連上1/4 圓長條組合成桅桿。

請跟著這麼做：

1 將叉形條和五孔 超長條結合，並 將兩個長結合鍵 插入叉形條中。

3 利用長結合 鍵連接桅桿 和叉形條。

4 利用三個長結合鍵， 如左圖示將兩個弧形 扁長條、一個三孔長 條、以及浮筒架連結 起來。

5 利用兩個長結合鍵，如 右圖示將另一個浮筒支 架、一個雙向三孔長 條、以及在步驟4已完 成的部分組合起來，並 將浮筒插入浮筒支架 中。

9

x2

6 使用一個叉形條、兩個軸 承栓、一根竹榫、及一個 輪子組合兩個輪軸組。

7 將步驟3的桅桿以及 兩個輪軸組，結合 在步驟5完成的總成 上。 8 把風帆套上桅桿，並用兩個 軸承栓固定風帆的底部。

6 大功告成！

測試風帆小艇

10

你可以在浴缸裡、大盆子裡、或是小朋友用的塑膠游泳池裡測試你的 風帆小艇。 確認有大人在一旁幫助你，絕對不可以在水邊使用電扇或其他 電器設備喔！ 相對於風帆雙體船來說，風帆小艇的吃水較深，因為它只有一個浮筒 提供讓船身浮起來所需要的浮力。 你也可能會注意到，風帆小艇不是那麼 地穩定，所以你需要調整風帆的位置來讓它保持平衡。

船的運動

!

動動腦

航行的 物理原理

讓我們來進一步了解航行的原理。 穩向板對於 船在水中的前進運動有關鍵性的影響。 穩向板是安 裝在船的底部的一片大而平坦的結構，它的方向和 船運動的方向平行，所以可以輕易地往前後劃開水 流，然而對於側向的運動它會產生很大的阻力。 當 船隻順風航行時， 風力直接施加在風帆上，推動了 船隻穿過水體前進。 風的速度

然而當船的前進方向和風向呈現一個角 度時，船體的前進運動取決於風帆和穩向板 的反作用力。 當風（以對應於船體的相對 速度）通過風帆時, 產生了一股和風向相垂 直的推力（參考第16頁），這股推力和與 風向平行的阻力綜合起來，產生了一股施加 在風帆上的淨作用力。 在此同時，在水面下的穩向板，也發揮 了類似機翼的功能; 在水流（以對應船體的 相對速度）通過時產生了一股推力. 這股推 力和水流對穩向板產生的阻力綜合起來，產 生了一股在水下的淨作用力。 水和船的相對速度

當水下的淨作用力和風帆上的淨作用力大小 相同而方向相反時，船不會加速也不會減速，而 是會維持原來的速度運動。 如果其中一股淨作用 力改變的話， 那麼船會對應地加速或減速。 當船快速迎風前進的時候，風對於船的相對 速度實際上遠大於風對於水的相對速度，這稱之 為感受風速，也是為什麼迎風航行的速度會比順 風航行更快的原因。 帆船沒有辦法筆直朝著逆風的方向前進；為 了保持迎風航行, 船隻必須迅速的調整船頭的方 向來和風向保持適當的角度，術語稱之為逆風調 頭。

施於穩向板的力 阻力

淨作用力 (施於穩向板的力 加上阻力)

水面之下

施於風帆上 的淨作用力 施於穩向板的 淨作用力加上阻力

11

單元

3

捕捉風力

組裝風向計 利用這個裝置來測試 風的方向。

x2

請跟著這麼做： 1 利用一個叉形 條、兩個軸承 栓、一根竹榫、 以及一個輪子組 成兩組輪軸組。

2 如圖示將空心管依序插 入三孔長條及雙向三孔 長條。 將另外一根空心 管插入叉形條，再將叉 形條插入三孔長條，並 安裝兩個長結合鍵。

3 將兩片弧形扁長 條插入桅桿。

12

4 把風帆插入桅桿，將兩 個輪軸組穿過風帆底部 的洞，安裝在弧形扁長 條的末端。 確保兩個輪 子保持適當的角度， 而 能夠以三孔雙向條為軸 心點，繞著它進行圓周 運動。

軸心點

5 你的模型完成了! 按照下 面的說明來測試你的風 向計。

測試風的方向 將你的風向計放在戶外一個平坦且堅硬的平面上使用，確保輪子的角 度適當，能夠圍繞著中心點進行圓周運動？放開風向計，看看它怎樣旋轉 而指向風吹來的方向。 這個模型的功能就像風標一樣，風吹在風帆上，把風帆往下風處推過 去。由於桅桿和地面的磨擦力阻止了整個模型移動，於是模型只會繞著軸 心點旋轉。當風帆整個轉到下風處時，空心管就會正指著風來的方向！

13

組裝迷你滑翔機

1 利用一個叉型 條、兩個軸承 栓、一個竹榫、 以及一個輪子組 成一組輪軸組。

2 把空心管一端插 入輪軸組；另一 端插入叉形條。

14

3 如圖示用兩個長結合鍵將兩 片弧形扁長條安裝在三孔長 條上，然後將步驟2的空心 管插進三孔長條中間的那個 孔，最後再將另一根空心管 插入叉形條中。

4 將風帆安裝到上 面那根空心管 上。

5 用兩個軸承栓把 風帆的尾端固定 在兩片弧形扁長 條的末端。

6 你的滑翔機大功 告成了！ 按照 下面的說明來試 飛。請按照箭頭 的方向投擲，輪 子應該要在後方 才對！

測試迷你滑翔機 把你的滑翔機帶到一個風力不是太強的空曠場地來測試，如果有類似 草地或是地毯這類比較柔軟的地面是最好的。 將機頭稍稍朝上，輪子在 後，輕輕地把飛機投擲出去。 要輕鬆自然地放手，不要太用力丟，你能讓 滑翔機輕巧地降落到地面上嗎？ 要讓它滑翔地很順會是一大挑戰，不過就 盡力而為囉！ 滑翔機會緩慢地落地是因為它前進時產生的氣流持續地撞 擊在風帆的底部，而將飛機頭稍稍往上推動，這股力道不足以讓滑翔機在 空中停留很長的時間，不過也足以演示它的原理了。 你能夠進一步改善它 嗎？

15

!

動動腦

風帆和機翼 有什麼相似之處?

風帆和穩向板的功能就像是飛機

快的速度，以及對應的比較低的壓

的翅膀一樣，只不過它們的作用是發

力。 白努利定律說明了空氣的壓力

生在側向。 風帆產生一股和風向垂

會隨著速度的增加而降低， 因為機

直的側向“浮力”，而穩向板在水中

翼下方的空氣壓力比較高，氣壓就

產生另一股側向”浮力”來抵銷風帆

把機翼往上推；相對來說，機翼上

上的力。

方的向下壓力沒辦法像向上的壓力

機翼必須要拱起，或者說是具有

那麼大.

呈曲面的上表面，來產生浮力。下表

機翼或風帆也由另外一種方式產

面必須是平的或是曲率較小，這種

生浮力，當機翼穿過空氣時，下表面

形狀稱之為翼面。 以風帆的例子來

撞擊到空氣粒子，空氣粒子也施以反

說，它也必須具備氣流流經內凹面的

作用力，而產生了額外的向上的力

距離會比流經外凸面的距離要短的這

量。 攻角越大，或者說機翼相對於

個特性。

氣流的角度越大，浮力也越大。 然

飛機通過氣流時，流過機翼上方

而這也有一定的限度，當機翼的角度

曲面的空氣，比起流過機翼下表面的

過大時，機翼的後方會產生亂流，這

空氣，經過比較長的距離；因為再怎

種亂流會擾亂原本平穩的氣流，而沒

麼說，兩點之間最近的距離還是一條

有穩定的氣流的話，風是沒有辦法產

直線。 數量相同的空氣分子流過了

生任何上升力的。

比較長的距離， 必然具備了比較

氣流越快， 壓力越低

上升力

平穩氣流 亂流

翼面

攻角過大 16

氣流越慢， 壓力越高

上翼面

上表面 下表面 中翼面

弧線（機翼的上/下表面距離一半的點連線） 弦線（機翼前緣與後緣連成的直線） 下翼面

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