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展演模組名稱(實驗名稱):角動量守恆──夢幻模擬戰#我要抽大獎

團隊成員:蔡典勳、李孟穎、吳鶴笙、柯杰辰、陳冠維

學校:國立南科國際實驗高級中學

儀器說明

平衡桿 (圖1) -用雷射切割機切割壓可版,切出總長43公分兩端為圓形的衡桿。並且中間放置一個培林,兩端放置馬達。

四旋翼機 (圖2)

平衡桿 (圖1)

四旋翼機 (圖2)

展演流程

靜止時的裝置

運轉中的裝置

原理說明

假設一端的馬達以逆時針轉動,另一端保持靜止,其造成的角動量方向向上,根據角動量守恆原理,在中央培林處會產生一角動量方向向下的轉動,使整個系統遵守角動量守恆,並帶動整個平衡桿以順時針轉動。若兩馬達皆在轉動狀態並且轉速一樣、方向相反,根據角動量守恆的原理,整個平衡桿便會維持不轉動。由此可知,如果兩馬達轉動方向相反但是有轉速上的差異,就會破壞這個平衡,並使機身轉向來維持。

生活應用

1.四旋翼機

在平衡狀態(空中靜止)時,四旋翼機兩對角的螺旋槳會以同向旋轉、與鄰邊反向。而當機身要轉彎時,其中一組對角螺旋槳會加速、另一組則減速,造成轉速上的差異。根據角動量守恆原理,此舉會使機身旋轉,但因為一組加速一組減速,總動力並沒有改變,所以會維持在一定的高度上。

2.陀螺儀

在飛機飛行儀表的心臟位置配有陀螺儀,當飛機在轉彎時,可以透過陀螺儀得知飛機目前的傾角,並搭配其他儀器使飛機得以修正航路。

3.直升機

葉片提供升力時,直升機的機身會因為反扭矩的作用而具有往反方向旋轉的傾向。以單葉片直升機而言,常見的做法會用尾槳來平衡反扭矩,至於多旋翼直升機,通常是採用葉片之間的反向旋轉來抵銷反扭矩的作用。