Hovercraft（气垫船）

学生：郎瑛莹、朱允铉、何佳旸
指导老师：乐永康、徐晓华

A simple model hovercraft can be built using a CD and a balloon filled with air attached via a tube. Exiting air can lift the device making it float over a surface with low friction. Investigate how the relevant parameters influence the time of the 'low-friction' state.

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。

C. de Izarra and G. de Izarra. Stokes equation in a toy CD hovercraft. Eur. J. Phys. 32, 89-99 (2011), cd_hovercraft.pdf
B. R. Elbing, E. S. Winkel, K. A. Lay, S. L. Ceccio, D. R. Dowling, and M. Perlin.. Air-layer Induced Skin-friction Drag Reduction (umich.edu, 2007), Air-layer Induced Skin-friction Drag Reduction
M. Z. A. Rashid, M. S. M. Aras, M. A. Kassim, Z. Ibrahim, and A. Jamali. Dynamic mathematical modeling and simulation study of small scale autonomous hovercraft. Int. J. Adv. Sci. Tech. 46, 95-114 (2012), http://www.sersc.org/journals/IJAST/vol46/6.pdf
T. Denery. Multi-domain modeling of the dynamics of a hovercraft for controller development (MathWorks, 2005), http://www.mathworks.com/tagteam/28442_AIAA-2005-6293_Denery.pdf
S. B. Gates. A crude theory of hovercraft performance at zero tilt (Min. Aviation C.P. No. 608, 1962), http://naca.central.cranfield.ac.uk/reports/arc/cp/0608.pdf
cd气垫船相关方程及其近似处理.pdf

时间	地点	参与者	内容	主要进展和结果	备注
2015 03 17下午	245实验室	郎瑛莹朱允铉何佳旸	与理论徐老师进行讨论，并与实验乐老师反映实验问题，测了部分数据	讨论气压测试需要器材
2015 03 17晚上	245	朱允铉何佳旸	改进实验装置，测部分数据
2015 03 17下午1：30—3：10	245	朱允铉	更改实验接线方式，使线路更稳定
2015 03 18晚上	245	郎瑛莹	测试部分实验数据	已看到有关气压计的资料
2015 03 19晚上7：00-9：00	245	朱允铉	测量数据	发现有接触电阻问题并购买气压计
2015 03 22晚上7：00-9：30	245	朱允铉	测量数据	测量到了22.5cm且实验结果是可以被重复的（数据稳定）	测量了整个系统的质量
2015 03 23晚上7：00-12：30	245	朱允铉何佳旸	测量数据制作光碟	测量完了23.5cm的7组数据并更换孔径大小，发现接触又出了问题（焊接光碟？）有待解决，并制作光碟	用水平仪测量发现盘不水平，决定用橡皮一类的物体将光碟固定在小范围内移动，减小影响
2015 03 24下午	245	朱允铉何佳旸	更换孔径继续测量数据	测量了一些数据后装置接触又出现了问题	运用气泵打气提高了效率，并研究打气球气压与半径的关系
2015 03 24晚上10：00-12：00	245	朱允铉	对设备进行维修并分析原因	有许多原因并思考能不能改进设备
2015 03 28下午	245	朱允铉	修理设备并测量	但是进度及其缓慢想更换另一种设备换一套方案进行测量	从浮的高度去考虑
2015 03 28晚上	245	朱允铉	找乐老师讨论	讨论能不能改用光学的方法进行测量	需要能调整角度的激光笔和挡板等器材
2015 03 29晚上	245	郎瑛莹朱允铉	讨论前期问题，分析新方案	尝试使用ARDOINO进行气压测量
2015 03 29晚上	245	郎瑛莹朱允铉	已经可以用ARDUINO进行测量气压数据，并向乐老师借来新的实验器具	ARDUINO还需要进行编程改良，已初步搭建新器材	新器材存在一定的问题，需要进一步的思考和讨论，具体问题会写在附件中
2015 03 30晚上20：30-23：00	245	朱允铉何佳旸	尝试新的实验方案	经过多次实验最后确定了一种较为可行的方案	具体内容会再上传
2015 03 31下午和晚上到0：30	245	朱允铉郎瑛莹何佳旸	用新的方案进行实验	测量了不同孔径的数据，效率远高于电学方法	气球的松弛程度会引起误差，需要尽可能的想办法去避免
2015 04 02晚上21：00-0：30	245	朱允铉	绘制实验装置图		示意图已经上传，并在oringin拟合时出现了一个问题
2015 04 06晚上22：00-1：30	245	朱允铉	ARDUINO编程	已实现arduino编程，可以用来测量气压
2015 04 07下午2：30-6：30	245	郎瑛莹	编写好部分PPT
2015 04 07晚上18：30-21：00	245	朱允铉郎瑛莹何佳旸	测量不同孔径的悬浮时间数据	又测量了一组
2015 04 07晚上21：30-1：00	245	朱允铉	测量气球压强与直径的关系	在实现arduino编程的情况下，测量数据	测量在不同松弛程度下的气球，数据已上传，图会稍后附上
2015 04 08晚上22：15-23：45	245	朱允铉	继续测量气球气压与直径的数据	发现在松弛情况下气球内气压几乎是恒定的	可以用此来替代理论推导中的经验公式
2015 04 09晚上20:00-23:30	245	朱允铉	测量气球压强与直径的数据	在反复测量多次数据后得出恒定结论，详见附件

实验装置原理图

光盘倾斜示意图

电学方案接线图

电学方案装置图1

电学方案装置图2

电学方案装置图3

电学方案装置图4

挡光型方案示意图

光盘会出现倾斜，导致“低摩擦状态”的时间测量不准；
改用电学方法，能够进行比较准确的测量，但因影响“开路/导通”状态的因素很多，如铝箔的皱褶等，导致结果难重复，用于“修理装置”的时间很长，效率低；
改用“光杠杆法”，测量重复性得到很大改善；

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大气球气压与半径关系图（用IOLAB测得并已用origin进行smooth处理）

此图的横坐标和纵坐标各是什么？怎么做的Smooth处理？
横坐标是测量时间，纵坐标是气球内部的压强，smooth处理指的是当数据中的毛刺较多时，可以用smooth对其做平滑处理，比如对相邻的若干数据做加权平均。 — 朱允铉 2015/04/03 21:54

初步观察可以推断出其符合文献中所提供的经验公式

经验公式是什么？如果不会输入公式，可以将原文中的公式截图后上传。 — 乐永康 2015/04/03 09:19

气球压强经验公式

气球压强关系图

有一个问题，就是我测量气球时是从大直径到小直径进行放气处理，IOLAB采样的时间顺序是从零点开始，也就是说如果以时间作为横轴作图的话所得的图像应该与理论上的图像方向是相反的(直径由大到小)，但实际情况却是相同的，请问这是为什么？ — 朱允铉 2015/04/02 21:34
这个实验设计有问题：你们无需做动态的放气测量，动态测量的不确定可能会更大。你们需要的是气球直径与内部压强之间的关系。将IOLab放在气球中，设定好需要测量的直径，充气到这些直径时，用IOLab测量内部气压即可。对放气过程，也可以进行同样的实验。 — 乐永康 2015/04/03 09:19
好的老师，下次会再改进。 — 朱允铉 2015/04/03 21:54

还有，请问xlsx文件为什么传不上来？ — 朱允铉 2015/04/02 21:48
某些文件不能上传，是Wiki系统的安全设置的限制。你可以将.xlsx另存为.CSV文件。 — 乐永康 2015/04/03 09:19
已经转成csv格式的文件但是好像还是显示该扩展名被禁止。 — 朱允铉 2015/04/03 21:54
那就存为.txt文件。 — 乐永康 2015/04/03 23:22

inte.txt\\(气球气压的数据直径为厘米) 以上是气球气压与气球直径的数据

气球打5次后测量得到的压强与直径关系的数据

气球打20次后测量得到的压强与直径关系的数据

此图纵轴刻度的有效数字位数不够！ — 乐永康 2015/04/10 09:23

气球打60次后测量得到的压强与直径关系的数据

以上两幅图都是对与同一松弛气球的不同半径出做多次测量所得的数据，数据点两段多出的线段代表的是标准偏差的大小，从第二幅图中可以看出，相对与大气压而言，气球内部相对与大气压的差几乎是恒定的，浮动甚小，因此应可以用常数代替经验公式 — 朱允铉 2015/04/10 02：35

坐标轴名称要改为实际物理量，并标注单位。刻度标注也需要注意：用科学计数法。 — 乐永康 2015/04/08 12:05
22cm之后能多测几个点吗？可以充气到爆。另外，请检验一下充气到某个直径与充气超过某直径，再放气到此直径的压强是否一致（最好各重复5次）。 — 乐永康 2015/04/08 12:17»
当逼近24.5厘米的时候就已经爆了；好的老师。 — 朱允铉 2015/04/08 14:27
已改。 — 朱允铉 2015/04/09 14:45

1.通过对实验现象的分析：通过对气球气压与直径关系的初步测量可以发现经验公式并不成立，并且进一步观察发现在打气只有5次时气球的气压极其不稳定，呈现波动比较明显的状态，但是当反复充气放气多次后，可以发现气球气压与直径的数据逐渐稳定了下来，直到最后才会有一个显著的上升趋势，但对这个上升的现象，我认为这是由于前面充气放气时并没有达到呈现上升趋势时的直径，这导致直径在22-23cm时气球的膜还是在张紧的状态，导致压强有一个上升的趋势，如果能够将气球多次打到25cm在返回（前提是不会爆），这样气球在22—23cm处的上升趋势就会减弱很多（气压会趋于一个恒定值）。 — 朱允铉 2015/04/08 14:46
2.并且这和文献中所提及的气球中的气压基本保持不变相符。并且在实验中已经得到验证（和理论推导相符）：在理论推导中当气球中的气压保持恒定时起伏的高度也是恒定的，在实验观察中可以看出当使用松弛气球进行测量时光斑在整个放气过程中几乎不会移动，只有当气球里的气压即将放完时（瘪下去时）才能观察到光斑明显向斜面下方移动

总结：通过这样的分析我认为可以舍弃经验公式而采用在松弛气球中气球气压近似不变的条件来进行理论推导。 — 朱允铉 2015/04/08 14:46 接下来我们还需要测量更多的数据（气球气压与直径的关系） — 朱允铉 2015/04/08 14:46