生物工程毕业设计（论文）麦格纽斯效应教学试验平台设计

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1、青岛农业大学毕 业 论 文（设计）题 目： 麦格纽斯效应教学试验平台设计 姓 名： 学 院： 食品科学与工程 专 业： 生物工程 班 级： 2006.1 学 号： 20062117 指导教师： 完成时间： 2010.6.7 2010年 6 月 7 日目 录中文摘要1Abstract21 引言31.1麦格纽斯效应概括31.1.1麦格纽斯效应理论来源31.1.2麦格纽斯效应产生原理31.1.3麦格纽斯效应设计意义61.2 设计方案确定61.2.1 U型管法71.2.2 小车法81.2.3 弹簧秤法91.2.4 惠斯登电桥法102 设计步骤及内容122.1主要仪器与设备122.2 材料122.3 方

2、法122.3.1流程122.3.2具体实施过程132.4 注意事项153 设计成果164 参考文献175 致谢186 附录19青岛农业大学学士学位论文 麦格纽斯效应教学试验平台设计麦格纽斯效应教学试验平台设计生物工程 指导教师 内容摘要： 一个自旋的球在空中飞行的轨迹是一条弧线，这就说明球在飞行时水平方向上会受到侧向力的作用，这个侧向力的大小与球的初速度、球的自旋转速及球的大小都有关系。本次教学试验平台设计的主要目的就是通过设计制作一个仪器，实现在实验室条件下模拟出的球自旋且在空中飞行受力的过程。最终成果基本符合预期效果，为以后测定数据提供有力保障且能作为教学平台设施供学生学习研究。关键词：麦

3、格纽斯；侧向力； 设计 19Design Of Magnius Effect Terrace instructBiological engineering jiangjinguiInstructor wangshiqingAbstract：The path of a football which flies in the sky is camber , which makes it clear that this football is given a lateral force when fly in the sky .The size of the lateral force is rel

4、ated with initial velocity、the speed of rotation and the size of the football. This test is to design an instr-ument, Which realizing the process of the laboratory about simulating the ball spin and fly in the sky. The final result is accored with the expected effect, it is provided a powerful guara

5、ntee for measurement data and could make it as teaching facilities for students to study and research.Key words：Magnius； lateral force； design 1、引言1.1 麦格纽斯效应概括1.1 1麦格纽斯效应理论来源在足球比赛中经常会有这种精彩的场面：近对方球门发直接任意球时，守方球员五、六个人排成一字人墙，企图挡住攻入球门的路线，而攻方的主罚球员却不慌不忙，慢慢走上前去，把球放正位置，然后起脚一记猛射，只见球绕过人墙，眼看要偏离球门飞出界外，却又转过弯来直扑球门

6、，守门员刚要起步扑球，却为时已晚，球早已应声入网了。这就是颇为神奇的香蕉球。因为球运动的路线是弧形的，像香蕉形状，因此以香蕉球得名从严格意义上讲，香蕉球指足球踢出后，球在空中向前并作弧线运行的踢球技术。弧线球常用于攻方在对方禁区附近获得直接任意球时，利用其弧线运行状态，避开人墙直接射门得分。到现在为止，之中香蕉球射门方式已经越来越受球员们的重视，并成为足球场上发射任意球的主要方式。这种球的关键之处是球在空中的弧线飞行，球在空中看起来是以一条弧线的轨迹飞向球门的，所以很多人戏称之为“圆月弯刀”。然而每个球员发的任意球弧线并不一样，弧度有大有小，这都是与球员踢出球的力度和球本身的旋转有关系的，当然

7、球员的技术水平的差异也是其中的原因。通常来讲，根据牛顿理论，球之所以在空中能按弧线飞行，必然有一个力使它不能按直线飞行，而且这个力是在水平方向上由球的弧线飞行的外侧向内侧产生的，也就是说，球在飞行过程中必须同时受一“侧向力”才引起弧线的产生。这里要研究的就是这个使球飞行方向发生变化的“侧向力”，也就是麦格纽斯效应。1.1.2麦格纽斯效应产生原理麦格纽斯效应产生原理图1所示：图1 麦格纽斯效应产生原理示意图Fig 1 Theorem of Magnius effect如图1中所示，最左边的图表示的是足球在没有旋转下水平运动的情形 (在此图中球正在向下运动)中间的图表示的是足球在只有旋转而没有水平

8、运动的情形，最右边的图（香蕉波）则是足球水平运动和旋转两种运动同时存在的情形。这时候，足球右面空气流动的速度较左面大。流体速度较大的地方气压会较低，因此足球右面的气压较左面低，产生了一个向右的力。结果足球一面向前走，一面承受一个把它推向右的力，造成了弯曲球。香蕉球的原理是依照空气动力学1，就是球面与空气的相对速度越大，球面受力就越大，球的弧度就越大。假设从球的正上方向下看（视线与地面垂直），同时球的运动轨迹的瞬时方向与你的视线垂直向上，球是逆时针旋转。球的右侧与空气的相对摩擦速度比左侧大，这时球的运动方向就会向左偏移。相对摩擦速度越大，球的偏移量就越多，也就是弧度越大。再假设从球的正侧面看（视

9、线与地面平行），同时球的运动轨迹的瞬时方向与你的垂直向左。假如球是顺时针旋转，球的下部与空气相对摩擦速度比上部大，球下落的就越慢。这样比较容易绕过人墙（但球速慢，给守门员反应的时间太多）。反之，球下降的就越快，但是不容易绕过人墙（但绕过去就是威胁）。通过如图2我们就能把这一过程直观的表现出来：图2 球在空中飞行时的受力情况示意图Fig 2 Schematic of the ball fly in the air force diagram我们知道，当球在空中飞行时，若不但使它向前，而且使它不断旋转，由于空气具有一定的粘带性，因此当球转动时，空气就与球面发生摩擦，旋转着的球就带动周围的空气层一起

10、转动。若球是沿水平方向相左运动，同时绕垂直纸面的轴做顺时针方向转动，则空气流相对于球来说除了向右流动外，还被球旋转带动的四周空气环流层随之在顺时针方向转动2。这样在球上方的空气速度除了向右的平动外还有转动，两者方向一致；而在球的下方，平动速度（向右）与转动速度（向左）方向相反，因此其合速度小于球上方空气的合速度。对于竖直方向的力，根据流体力学的伯努利定理，在速度较大一侧的压强比速度较小一侧的压强为小，所以球上方的压强小于球下方的压强。球所受空气压力的合力上下不等，总合力向上，若球旋转得相当快，使得空气对球的向上合力比球的重量还大，则球在前进过程中就受到一个竖直向上的合力，这样球在水平向左的运动

11、过程中，将一面向前、一面向上地做曲线运动，球就向上转弯了3。若要使球能左右转弯，只要使球绕垂直轴旋转就行了。看来关键是运动员触球的一刹那的脚法，即不但要使球向前，而且要使球急速旋转起来，不同的旋转方向，球的转向就不同，这需要运动员的刻苦训练，方能练就一套娴熟的脚头功夫，只有经过千锤百炼，才能达到炉火纯青的地步。其实，何止是足球有香蕉球，乒乓球、排球、网球等都有利用旋转技术创造出各种飘忽不定、神秘莫测的怪球，如乒乓球中的弧圈球等都是根据这个原理创造出来的。我们在日常生活中也经常应用这个原理使物体在流体中的运动方向改变，例如飞机的起飞和帆船的运作都是基于这个原理。1.1.3设计意义在球场上，注意观

12、察会发现每个球员发的任意球弧线会有很大的差异，而且球飞入球门时的速度也很不相同。这就表明了球员给予球的初速度及初始方向对球轨迹的影响很大，而且球本身的旋转对其也有一定的影响，当然球本身的旋转是球员给予初始方向不同导致的。在乒乓球或排球之中这种现象大致相同，但轨迹仍然会有不同，这就是说，球的大小对这个侧向力也会产生影响。既然球是以弧线的轨迹向前运行的，那么球到达球门时的落点与球以直线的轨迹到达球门时的落点会有一定的偏差（偏行距离），且这个偏差与球的飞行时间及侧向力的大小有直接的关系。又因为侧向力的大小与球的半径、球的自旋转数及球的初速度有关，那么找出这些因素与侧向力在数据上的关系，就会得到弧线飞

13、行落点与直线飞行落点的偏行距离。如果达到这种效果，那么在研究这种任意球或是旋球的问题上，会有很大的学术价值。1.2 麦格纽斯效应平台设计方案的确定在户外情况下研究这样一个问题不太现实，因为球在运动情况下不可能精确到每一个瞬间的状况，且户外总是存在很大的影响因素，如刮风天气的影响。因此在目前的条件下还是不允许的，所以，就必须在试验室内模拟出这样一个环境来进行研究。根据“传送带试验”的原理（传送带试验中，把传送带看作大地，“大地”动而物体不动，室外条件下是物体动大地不动，两者都有相对运动，可近似视为等同），我们可以联想到，本试验也可应用本原理，且球在实际情况下相对于大地的初速度并不是首要问题，而他

14、相对于空气的初速度，也就是空气由于速度不同所带来的阻力大小的不同才是最主要的。这样，在试验室情况下，使球相对于大地不动，而是风对于球有一个初速度，这样就会达到相同的效果。达到这种效果也并不难，只不过是用一个风机吹向球，根据风速的不同来代表实际情况下的球的初速度的不同4，这里有一个前提，就是假设真正的任意球在空中飞行的速度是保持不变的。球的自旋是产生侧向力的直接原因，因为在室外情况下球受到的重力只是对球落下的时间有影响，对侧向力根本没有直接联系，所以在室内也没必要考虑重力因素。这样，可以把球安装在一台电机上，这样就可以使球随着电机旋转，而且加以改进还可以达到随意改变速度的目的5。可以先把球的大小

15、固定住，通过控制不同的风速与不同的电机转速，使各个不同的因素、水平任意组合，就会得到一系列的数据，再通过这些数据必然能找出与侧向力的关系。要解决的核心问题是测球受到的力，假设在电机和风机都已经确定的情况之下，有很多的方法测球的受力。为了更方便的表达所示方法，这里将风机部分不予列出，具体方法如下：1.2.1U形管法如图3所示图3 U形管法测麦格纽斯效应平面示意图Fig 3 Planar schematic of U-shaped tube method to test Magnius Effect原理：根据伯努力效应，球的两端压力不同，这样，直接测量U形管两端压差，即是球产生的压差6，设为P1，

16、P2F1=P1SF2=P2SF=F1-F2缺点：球不能无限接近U形管两端，只能近似的认为U形管两端压差就是球两端压差，引起的误差太大这种方法只能测球中间部位的压差，而球上端或下端的压差会有不同。1.2.2小车法如图4所示图4 小车法测麦格纽斯效应平面示意图Fig 4 Planar schematic of Toy car method to test Magnius Effect原理：将小车与球看作一个整体，球受到侧向力之后，带动小车向一侧移动。类似于小车在力F的作用下，在水平轨道上做直线运动7。小车受到的力有，侧向力、摩擦力、重力和支持力，设侧向力F1，摩擦力f则合力F=F1-f小车与球整体

17、的质量m加速度a=F/m经过时间t通过的距离ss=1/2at=1/2a（F/m） 由此可得出F，进而得出F1缺点：摩擦系数因所用平面的不同而不同，而且所用平面的摩擦系数难以确定，导致所得结果并不准确。小车在移动过程需要持久的风力，而且风在整个过程应均匀的吹向小车，一般的风机很难达到这样的效果。要想使小车移动，应使F1f，对于球自旋比较快，且风速比较大的情况下比较容易实现，在球自旋很慢，或者风速比较小的情况下就很难达到理想的效果了，因此，在进行正交试验时，因素、水平就会太少，从而导致缺乏规律性，整个设计没有说服力。1.2.3弹簧秤法如图5所示图5 弹簧秤法测麦格纽斯效应平面示意图Fig 6 Pl

18、anar schematic of spring scale method to test Magnius Effect原理：球在侧向力的作用下向一侧偏转，而同时用弹簧秤对球施加另一方向的拉力，保证所给拉力大小与侧向力大小相等，这样球就能维持在一个相对稳定的中间地带旋转8。侧向力的大小与弹簧秤所示的力的大小相同。缺点：试验过程必须人工的操作，要使球始终处于竖直的情形，必须要有出色的手感，否则球很难达到理想的效果，而人工操作的缺点就是不稳定，只能达到近似的结果。弹簧秤本身就不是一种很精确的测量力的工具，而在试验中，产生的侧向力与球的自旋转速、风的速度都有关系，当风速很小或转速很小的时候，产生的侧

19、向力就很小，对于试验要求比较精确的情况下，弹簧称所带来的误差必然对试验结果产生很大的误差。弹簧秤的底端，挂钩部分需要与球的轴有直接接触，因此产生的摩擦也会影响到试验的结果。1.2.4惠斯登电桥法如图6所示图6惠斯登电桥法测麦格纽斯效应示意图Fig 6 Planar schematic of Hui stearns bridge method to test Magnius Effect惠斯登电桥（图7所示）：惠斯登电桥中，当四个电阻大小相等时，四个电阻中间的检流计的示数为零，一旦其中一个电阻大小改变，检流计示数将不再为零，可根据检流计示数的变化量，推算出电阻改变大小9。图7惠斯登电桥Fig8

20、Hui stearns bridge原理：球在发生偏转时会带动皮筋伸缩10，若在皮筋上固定应变片，让应变片代替惠斯登电桥中的一个电阻，皮筋的伸缩会影响应变片电阻的大小，此时惠斯登电桥电路中的检流计示数将不再为零，根据示数改变大小可推算出电阻改变大小，进而推算出皮筋的伸缩长短，由此可得出侧向力的大小11。优点：准确，能避免很多不必要的误差，如摩擦等产生误差。这种设计相对比较“智能”，能避免人为因素所带来的缺陷，及人为的产生的偶然误差。缺点： 设计相对复杂，需要投入较其他方法更多的精力。 设计过程对动手能力要求高，需要有动手能力很强的老师指导。 试验仪器要求高，投入相应也高。综上所述，经过一系列优

21、缺点比较，决定采用所得结果会更为精确的惠斯登电桥法。2.设计步骤及内容2.1主要设备与仪器电机：（型号：M425-402 功率：25W 电压：200V 电流：2uF 频率：50Hz转速：901350rpm）减速器：（型号：4GN-3K）变速器：（3K）风机：（三相异步电动机：型号：YS-803-2 功率：1100W 电压：380V频率：50Hz 电流：2.5A 转速：2800r/min）球：（普通排球 直径20cm）应变片所用工具：电焊机 切割机 铆钉机 打磨机 钢锯 电钻 木板 米尺2.2材料方形铁管2根（长500m 宽3.2cm）铁皮（长120cm 宽95cm）角铁（长100cm）螺纹铁棒

22、（长30cm）丝棉铆钉自行车内胎皮（长60cm）玻璃尺(50cm)焊条若干防锈漆砂纸螺丝钉若干皮管（长10cm）2.3方法2.3.1流程设备的选用材料尺寸测量切割与焊接框架试验用球的选择与制作电机的固定球与电机的连接皮筋的固定与风机对接进行初步试用喷漆将框架密封2.3.2 具体实施过程 设备的选用与购买本设计是模拟室外情况下足球在空中飞行的过程，应尽量与真实情况相符。据统计显示，职业足球运动员所踢出的香蕉球最大速度为180km/h，球在空中的转速最大为300r/min，所以，选择所用电机转速0450r/min，风机风速为050m/s。 框架的制作尺寸测量。根据球与电机及一些必要的链接部分的尺寸

23、，确定框架的尺寸，高60cm，宽50cm，长50cm。切割与焊接。框架尺寸确定下来以后，根据尺寸的大小，对材料进行截取，截取长度为50cm、60cm的方形铁管各四条，其中四条长为50cm的铁管顶部为45度斜面，对切割过程产生的锋利的棱角进行磨平，以免影响后面的焊接操作。对八条方形铁管进行逐一焊接，其中四条长为50cm的铁管焊接成为正方形框架，四条长为60cm的铁管分别与正方形的“角”焊接，形成“桌子”状，并保证各条方形铁管长短高差距降到最小。为保证整个支架的稳固和接下来操作中的电机的安放及与风机的对接，分别在支架的四条支撑“腿”上横向焊接四条铁管，相对应的铁管距支架顶端的距离相等，分别为31c

24、m和34cm，距离34cm的铁管用于确定电机的位置，距离31cm的铁管用于与风机对接。其中，电机与球位置的确定是根据两者的尺寸，此时对电机位置的确定是一个近似值，而不是严格的确定的，因为球的高度在接下来的操作中是可以调节的。 试验用球的选择与制作首先，球的大小要适中，太大，操作比较麻烦，而且很难买的到，太小的话受到的力就会有所减小，这样就会扩大相对误差；其次，因为在制作过程中球必须“贯穿”，所以最好选择不需要充气的球。经过反复筛选，最终确定选择直径为20cm的排球，为了防止球因为泄气而影响试验效果，采用将球内部填充丝棉的方法，使球呈“饱和”状态，尽量填充均匀，使球的重心保持在中间位置。最后将球

25、用螺纹铁棒贯通，用螺丝帽将球固定住。球与电机的安放做支架，将电机固定在框架上。考虑到球必须固定在支架上才能使其稳定的旋转，因此，根据电机上用于连接的螺丝宽度为10.5cm，在距离支架顶端34cm的两条铁管中间部位分别选择长为10.5cm的距离，做上标记，另取长为50cm的角铁两条，并焊接在两条铁管之间。取角铁的中间部位长为10.5cm的距离，用电钻钻孔，将电机固定在角铁上，是保持在同一条水平线上。球与电机连接。取长约10cm的皮管一条，皮管内径1cm，采用软连接的方式，一端与电机相连，一端与贯通球的螺纹长条相连，尽量保持两者重心一致。将皮筋固定在框架顶端。截取长度分别为3cm、5cm、6cm的

26、玻璃尺各两块，弹性自行车内胎一条，长约60cm，宽2cm，在与固定电机的角铁垂直的两条顶部方形铁管中间部位长度2.5cm的距离上分别钻孔，同样在长度为3cm和5cm的玻璃尺中间部位长度2.5cm处钻孔，将内胎放于两块玻璃尺之间，用合适的螺丝将它们固定在方形铁管上，此时，所用自行车内胎与角铁平行。将两块长度为6cm的玻璃尺四角处分别钻孔，孔间距为2.5cm，用螺丝固定在内胎的中间部位，此时，长度为6cm的玻璃尺正处于电机正上方。在6cm玻璃尺及自行车内胎中心处钻孔，孔径约0.5cm，要求小孔在贯通球的螺纹长条的正上方。 与风机对接根据风机出风口与框架的比例（出风口长15cm，宽13cm，框架中与

27、风机对接处长43.6cm，宽30.6cm），在铁皮上画出所要裁剪的大致图形，将多余的铁皮剪去，并将剩余按以画好的的图样折叠，折叠后的铁皮只有三面，根据所缺面的大小裁剪相同的铁皮一块，用铆钉链接，呈筒状，使其尽量密封，以免影响以后操作。在口小的一端钻孔，用螺丝与风机口连接，保持密封。口大的一端用铆钉固定在电机支架上。进行初步试用。将风机电机打开，对设计进行试用，状态良好。 设计成果的完成喷漆。将风机与电机的筒状连接卸下，在室外对支架与筒状连接生锈处打磨，待锈迹清除干净之后，用绿色防锈漆进行喷漆，保证喷漆均匀，待防锈漆风干之后，搬入室内，再逐一连接，等待接下来的试验。将框架密封。为保证风机吹出的风

28、不向球的周围泄漏，使风机的最大风量用于球自身，须把球四周的框架封死，除风机口及其对侧外，其他四面用硬纸堵住，再用胶带固定在框架上。2.4注意事项 切割焊接时尺寸必须非常准确，以免因尺寸长短不一而影响整个框架的结构，而且框架的结构对后面试验的准确性影响非常大。 操作具有一定的危险性，切割焊接技术需要非常熟练，而且应注意因切割而产生的方形铁管的锋利的棱角。 在固定电机时，确保将电机固定于中心位置，且电机必须水平固定。 选球时，尽量选择中心均匀的球。 对球进行贯穿时，保证球在转动时重心一致 做球与电机的连接时，保证电机开动时，旋转球的铁杆能重心均匀的随电机转动 固定皮筋时的方向必须正确。 裁剪铁皮时

29、，风机口与框架接口处长短一定要合适，不能有丝毫偏差。 风机与支架的对接尽量密封，不要漏气，包括铁皮的连接，与风机口的连接。3.设计成果3.1图示见附录3.2对设计成果的评价经过对成果的初步试验，设计成果主要优缺点如下：优点：设计过程严格按照所计划尺寸，设计准确，能避免很多不必要的误差。 采用软连接，避免了齿轮等硬连接所带来的操作麻烦。 这种设计相对比较“智能”，能避免人为因素所带来的缺陷，及人为的产生的偶然误差。 本次设计材料来源主要是之前设计中所节约下来，极大的节约了设计成本。缺点： 此设计用球重心不能集中到中间，无法达到理想的结果，在球发生旋转时，不能严格的围绕贯通球的轴旋转，导致结果误差

30、较大。 球与电机的连接处所用材料并不理想，导致电机带动球旋转时不能按照电机旋转的重心旋转，必然导致试验误差很大。 风机所产生的风力太小，未能达到实际情况所要求，在测数据时，可能达不到理想效果。 风机产生的风不能均匀的吹向球体，导致风在出风机口处的风力和到达球时的风力不一致。展望： 要解决球旋转重心问题，有两点。首先，选球时应选择重心一致的，且不需要充气的；其次，在球与电机连接上，采用对两者衔接比较好的材料。 解决风机风力问题，首先，将风机功率调大，加入变频控制器，以更方便的调节风力大小；其次，在允许条件下，改变风机与球距离，使其更加接近，减少设备漏气。 球的风力是通风量比通风口表面积，为保证风

31、能均匀的吹向球体，这里暂时没有更好的方法，希望以后有同学能够把这个问题解决。 参考文献1 丁祖荣.流体力学M.高等教育出版社， 20032 李玉柱，苑明顺 .流体力学M. 北京：高等教育出版社，19983 周光炯 .流体力学M. 北京：高等教育出版社，20004 陈卓如 .工程流体力学M. 北京：高等教育出版社，1992 5 蔡增基，龙天渝.流体力学泵与风机M. 北京：中国建筑工业出版社，19996 屠大燕 .流体力学与流体机械M. 北京：中国建筑工业出版社，19997 夏清,陈常贵.化工原理M.天津大学出版社， 20058 赵凯华,罗蔚茵.新物理教程M.力学. 北京 高等教育出版社， 199

32、59 陈国荣 .弹性力学M. 河海大学出版社，200510 于全训,林明喜,薛成山 .力学概论M. 北京 科学出版社， 200011 RICHARD P.OLENICK, TOM M.APOSTOL&DAVID- L.GOODSTEIN 梁竹健 客蔚波译.力学以外的世界M.北京大学出版社， 2001 4 戚伯云 杨维纮.力学M.中国科技大学出版社， 200212 黄克智,薛明德,陆明万.张量分析M.清华大学出版社, 2003.13 Clayton T.Crowe, Donald F. Elger and John A. Roberson. Engineering Fluid Mechanics

33、M. 7th ed. New York: John Wiley & Sons, 200114 Vennard J K and R L Street. Elementary Fluid MechanicsM. 6th ed. New York: John Wiley & Sons,198215 Han Chin Wu, Continuum Mechanics and PlasticityM, Chapman Hall/Crc Press, 2005致谢历时数月，从论文的选题到资料的搜集，从论文中所需知识的重新学习到对设计中所用方法图示的反复修改，从开题报告到论文的最终完成，期间几乎经历了人生的喜

34、怒哀乐，在写作论文的过程中心情如此复杂。如今，伴随着这篇毕业论文的最终成稿，复杂的心情烟消云散，自己甚至还有一点成就感。我的这篇毕业设计论文的完成，首先应当归功于指导老师李新华老师。他给予的不只是整个毕业设计的顺利完成，更是一些生活的道理，让我懂得在生活中学习是没有尽头的，学习不光是在课堂，更应该是生活的每个细节，他的一些话令我不但完成了论文，也学到了许多书本上学不到的知识，受益匪浅，特致以深深的感谢。其次要感谢姜文利老师的帮助，他在整个设计中实践上的帮助是我顺利完成试验设计的保证，更让我接触到以前没有接触过的东西。还有哪些曾经为我毕业设计“出谋划策”的同学及朋友们，在最需要帮助的时候是他们伸

35、出了援助之手。感谢自己，没有因困难而退缩，没有因考研的失利而放弃一些东西，重新找到今后努力的方向，相信在今后的生活中任何困难都会像今天这样，只要坚持，总会过去。最后，再一次感谢所有在这次毕业设计中给予过我帮助的人。附录附图1 平台设计图示Fig1 The fig of Design terrace附图2 平台设计主视图Fig2 The front view of Design terrace 50cm 20cm 20cm 50cm24cm附图3 俯视图Fig3 The configuration of Design terrace20cm60cm26cm附图4 侧视图Fig4 The late

36、ral view of Design terrace附图5 电路图Fig5 The Circuit diagram of Design terrace附图6 设计平台示意图Fig6 Diagram of Design terrace附图7设计平台示意图Fig7 Diagram of Design terrace 附图8 设计平台示意图Fig8 Diagram of Design terrace青岛农业大学毕业论文(设计)开题报告题 目： 麦格纽斯效应教学试验平台设计姓 名： 蒋金桂 学 院： 食品科学与工程学院 专 业： 生物工程 班 级： 200601 学 号： 20062117 指导教师：

37、 王世清 2010年 3 月 2 日一、选题依据在足球场上，有种踢球方式叫做“香蕉球”，而且注意观察会发现每个球员发的任意球弧线会有很大的差异，而且球飞入球门时的速度也很不相同。这就表明了球员给予球的初速度及初始方向对球轨迹的影响很大，而且球本身的旋转对其也有一定的影响，当然球本身的旋转是球员给予初始方向不同导致的。在乒乓球或排球之中这种现象大致相同，但轨迹仍然会有不同，这就是说，球的大小对这个侧向力也会产生影响。既然球是以弧线的轨迹向前运行的，那么球到达球门时的落点与球以直线的轨迹到达球门时的落点会有一定的偏差（偏行距离），且这个偏差与球的飞行时间及侧向力的大小有直接的关系。又因为侧向力的大

38、小与球的半径、球的自旋转数及球的初速度有关，那么找出这些因素与侧向力在数据上的关系，就会得到弧线飞行落点与直线飞行落点的偏行距离。如果达到这种效果，那么在研究这种任意球或是旋球的问题上，会有很大的学术价值。二、国内外同类研究或同类设计的概况综述目前这项研究在国内外比较少，而且这项研究设计的领域、知识比较多，但主要原理还是波努力效应，也就是流体力学的知识。我们知道，当球在空中飞行时，若不但使它向前，而且使它不断旋转，由于空气具有一定的粘带性，因此当球转动时，空气就与球面发生摩擦，旋转着的球就带动周围的空气层一起转动。若球是沿水平方向相左运动，同时绕垂直纸面的轴做顺时针方向转动，则空气流相对于球来

39、说除了向右流动外，还被球旋转带动的四周空气环流层随之在顺时针方向转动。香蕉球的原理是依照空气动力学，就是球面与空气的相对速度越大，球面受力就越大，球的弧度就越大。假设从球的正上方向下看（视线与地面垂直），同时球的运动轨迹的瞬时方向与你的视线垂直向上，球是逆时针旋转。球的右侧与空气的相对摩擦速度比左侧大，这时球的运动方向就会向左偏移。相对摩擦速度越大，球的偏移量就越多，也就是弧度越大。再假设从球的正侧面看（视线与地面平行），同时球的运动轨迹的瞬时方向与你的垂直向左。假如球是顺时针旋转，球的下部与空气相对摩擦速度比上部大，球下落的就越慢。这样比较容易绕过人墙（但球速慢，给守门员反应的时间太多）。反

40、之，球下降的就越快，但是不容易绕过人墙（但绕过去就是威胁）。参考文献：1 丁祖荣.流体力学M.高等教育出版社， 20032 李玉柱 苑明顺 .流体力学M. 北京：高等教育出版社，19983 周光炯 .流体力学M. 北京：高等教育出版社，20004 陈卓如 .工程流体力学M. 北京：高等教育出版社，1992 5 蔡增基 龙天渝 .流体力学泵与风机M. 北京：中国建筑工业出版社，19996 屠大燕 .流体力学与流体机械M. 北京：中国建筑工业出版社，19997 夏清 陈常贵.化工原理M.天津大学出版社， 20058 赵凯华 罗蔚茵 新物理教程M.力学. 北京 高等教育出版社， 19959 陈国荣

41、.弹性力学M. 河海大学出版社，200510 于全训 林明喜 薛成山 .力学概论M. 北京 科学出版社， 200011 RICHARD P.OLENICK TOM M.APOSTOL&DAVID- L.GOODSTEIN 梁竹健 客蔚波译.力学以外的世界M.北京大学出版社， 2001 4 戚伯云 杨维纮.力学M.中国科技大学出版社， 200212 黄克智 薛明德 陆明万.张量分析M.清华大学出版社, 2003.13 Clayton T.Crowe, Donald F. Elger and John A. Roberson. Engineering Fluid MechanicsM. 7th e

42、d. New York: John Wiley & Sons, 200114 Vennard J K and R L Street. Elementary Fluid MechanicsM. 6th ed. New York: John Wiley & Sons,198215 Han Chin Wu, Continuum Mechanics and PlasticityM, Chapman Hall/Crc Press, 2005.三、研究方案研究内容、目标：首先进行对若干设计方案的评价及比较，选出一种最佳的设计方案，然后按照事先设计的试验步骤进行操作，注意操作的规范性，最终完成整个设计。研究

43、方法、路线：1. 主要设备与仪器电机、减速器、变速器、风机球、应变片、应变仪2. 材料方形铁管两根、铁皮、角铁、螺纹铁棒、丝棉铆钉、焊条、螺丝钉自行车内胎皮、玻璃尺、皮管防锈漆、砂纸3. 流程设备的选用与购买材料尺寸测量切割与焊接框架试验用球的择与制作电机的固定球与电机的连接皮筋的固定与风机对接进行初步试用喷漆将框架密封4. 注意事项1、切割焊接时尺寸必须非常准确，以免因尺寸长短不一而影响整个框架的结构，而且框架的结构对后面试验的准确性影响非常大。2、操作具有一定的危险性，切割焊接技术需要非常熟练，而且应注意因切割而产生的方形铁管的锋利的棱角。3、在固定电机时，确保将电机固定于中心位置，且电机

44、必须水平固定。4、选球时，尽量选择中心均匀的球。5、对球进行贯穿时，保证球在转动时重心一致6、做球与电机的连接时，保证电机开动时，传统球的铁杆能重心均匀的随电机转动7、固定皮筋时的方向必须正确。8、裁剪铁皮时，风机口与框架接口处长短的一定要合适，不能有丝毫偏差。9、风机与支架的对接尽量密封，不要漏气，包括铁皮的连接，与风机口的连接。四、进程计划2009.12.29-2009.1.4完成立题申请表、任务书2010.3.01-10完成开题报告2010.4.13-19进行中期检查，完成检查表2010.5.01-6.17完成毕业实习报告、毕业实习鉴定表、毕业论文五、导师评语 年 月 日青岛农业大学毕业

45、论文（设计）立题表立题题目麦格纽斯效应教学试验平台设计题目来源来源于生产实际 来源于科研项目 其他 题目性质基础研究 应用研究 应用基础研究 其他题目完成形式毕业论文 毕业设计 申请立题教师李新华职称从事专业立题说明：在足球场上，有种踢球方式叫做“香蕉球”，而且注意观察会发现每个球员发的任意球弧线会有很大的差异，而且球飞入球门时的速度也很不相同。这就表明了球员给予球的初速度及初始方向对球轨迹的影响很大，而且球本身的旋转对其也有一定的影响，当然球本身的旋转是球员给予初始方向不同导致的。在乒乓球或排球之中这种现象大致相同，但轨迹仍然会有不同，这就是说，球的大小对这个侧向力也会产生影响。既然球是以弧

46、线的轨迹向前运行的，那么球到达球门时的落点与球以直线的轨迹到达球门时的落点会有一定的偏差（偏行距离），且这个偏差与球的飞行时间及侧向力的大小有直接的关系。又因为侧向力的大小与球的半径、球的自旋转数及球的初速度有关，那么找出这些因素与侧向力在数据上的关系，就会得到弧线飞行落点与直线飞行落点的偏行距离。如果达到这种效果，那么在研究这种任意球或是旋球的问题上，会有很大的学术价值。教研室意见教研室主任签名： 年 月 日毕业论文（设计）领导工作小组意见： 教学院长签名： 年 月 日青岛农业大学毕 业 实 习 报 告题 目： 麦格纽斯效应教学试验平台设计 姓 名： 蒋金桂 学 院： 食品科学与工程学院 专

47、 业： 生物工程专业 班 级： 200601 学 号： 20062117 指导教师： 李新华 2010 年 5 月 26 日目 录一 毕业实习情况概述 11. 实习内容简介 12. 实习内容的要求和安排 2 二 实习情况综合分析 21. 试验方案的实施情况和实验结果 22. 实习中专业知识和技能的应用情况 43. 实习中存在的问题 4三 实习总结 51. 收获与体会 52. 问题与探讨 5四 小结 5参考文献6实习报告一、毕业实习情况概述1.实习内容简介在足球场上，有种踢球方式叫做“香蕉球”，而且注意观察会发现每个球员发的任意球弧线会有很大的差异，而且球飞入球门时的速度也很不相同。这就表明了球

48、员给予球的初速度及初始方向对球轨迹的影响很大，而且球本身的旋转对其也有一定的影响，当然球本身的旋转是球员给予初始方向不同导致的。本次设计就是针对这个问题，通过制作一个仪器，实现在实验室条件下模拟出的球自旋且在空中飞行受力的过程，通过一段时间的准备，我对实验室所具有的实验设施及使用情况有了一定的熟悉，并且在老师的悉心指导下认真的完成了毕业实习，完成了自己的毕业论文。2.毕业实习内容的要求和安排老师简单介绍了实验的基本要求和实验室内的注意事项后，要求我们自己安排自己的实习计划，并要求毕业实习内容主要是根据自己的论文题目，查阅相关的资料，并根据资料进行设计具体安排，为论文的写作提供基础。要求我们融会

49、贯通理论知识、知识联系实践、独立完成资料的查询、搜集、论文开题、实验操作和数据的处理分析；提升自身的科研与设计能力以及综合素质能力。于是，接到任务书之后我就开始了查阅相关资料，首先完成了开题报告、试验方案。我根据自己的时间安排和实验室的制度，计划毕业实习计划如下：2009年12月13日-15日完成立题申请表、任务书2009年12月18日-23日完成开题报告2010年4月15日-16日进行中期检查，完成中期检查表；2010年5月19日-6月6日完成毕业实习报告、毕业实习鉴定表、毕业论文（设计）；二、毕业实习情况综合分析1.实验方案的实施情况和实验结果1.1 主要仪器设备电机：（型号：M425-4

50、02 功率：25W 电压：200V 电流：2uF 频率：50Hz转速：901350rpm）减速器：（型号：4GN-3K）变速器：（3K）风机：（三相异步电动机：型号：YS-803-2 功率：1100W 电压：380V频率：50Hz 电流：2.5A 转速：2800r/min）球：（普通排球 直径20cm）应变片所用工具：电焊机 切割机 铆钉机 打磨机 钢锯 电钻 木板 米尺1.2 材料方形铁管2根（长500m 宽3.2cm） 铁皮（长120cm 宽95cm） 角铁（长100cm） 螺纹铁棒（长30cm）丝棉 铆钉 自行车内胎皮（长60cm） 玻璃尺(50cm) 焊条若干防锈漆 砂纸 螺丝钉若干

51、皮管（长10cm）1.3 试验过程1.3.1 设备的选用与购买本设计是模拟室外情况下足球在空中飞行的过程，应尽量与真实情况相符。据统计显示，职业足球运动员所踢出的香蕉球最大速度为180km/h，球在空中的转速最大为300r/min，所以，选择所用电机转速0450r/min，风机风速为050m/s。1.3.2 框架的制作尺寸测量。根据球与电机及一些必要的链接部分的尺寸，确定框架的尺寸，高60cm，宽50cm，长50cm。切割与焊接。框架尺寸确定下来以后，根据尺寸的大小，对材料进行截取，截取长度为50cm、60cm的方形铁管各四条，其中四条长为50cm的铁管顶部为45度斜面，对切割过程产生的锋利的

52、棱角进行磨平，以免影响后面的焊接操作。对八条方形铁管进行逐一焊接，其中四条长为50cm的铁管焊接成为正方形框架，四条长为60cm的铁管分别与正方形的“角”焊接，形成“桌子”状，并保证各条方形铁管长短高差距降到最小。为保证整个支架的稳固和接下来操作中的电机的安放及与风机的对接，分别在支架的四条支撑“腿”上横向焊接四条铁管，相对应的铁管距支架顶端的距离相等，分别为31cm和34cm，距离34cm的铁管用于确定电机的位置，距离31cm的铁管用于与风机对接。其中，电机与球位置的确定是根据两者的尺寸，此时对电机位置的确定是一个近似值，而不是严格的确定的，因为球的高度在接下来的操作中是可以调节的。1.3.

53、3 试验用球的选择与制作首先，球的大小要适中，太大，操作比较麻烦，而且很难买的到，太小的话受到的力就会有所减小，这样就会扩大相对误差；其次，因为在制作过程中球必须“贯穿”，所以最好选择不需要充气的球。经过反复筛选，最终确定选择直径为20cm的排球，为了防止球因为泄气而影响试验效果，采用将球内部填充丝棉的方法，使球呈“饱和”状态，尽量填充均匀，使球的重心保持在中间位置。最后将球用螺纹铁棒贯通，用螺丝帽将球固定住。1.3.4球与电机的安放做支架，将电机固定在框架上。考虑到球必须固定在支架上才能使其稳定的旋转，因此，根据电机上用于连接的螺丝宽度为10.5cm，在距离支架顶端34cm的两条铁管中间部位

54、分别选择长为10.5cm的距离，做上标记，另取长为50cm的角铁两条，并焊接在两条铁管之间。取角铁的中间部位长为10.5cm的距离，用电钻钻孔，将电机固定在角铁上，是保持在同一条水平线上。球与电机连接。取长约10cm的皮管一条，皮管内径1cm，采用软连接的方式，一端与电机相连，一端与贯通球的螺纹长条相连，尽量保持两者重心一致。将皮筋固定在框架顶端。截取长度分别为3cm、5cm、6cm的玻璃尺各两块，弹性自行车内胎一条，长约60cm，宽2cm，在与固定电机的角铁垂直的两条顶部方形铁管中间部位长度2.5cm的距离上分别钻孔，同样在长度为3cm和5cm的玻璃尺中间部位长度2.5cm处钻孔，将内胎放于

55、两块玻璃尺之间，用合适的螺丝将它们固定在方形铁管上，此时，所用自行车内胎与角铁平行。将两块长度为6cm的玻璃尺四角处分别钻孔，孔间距为2.5cm，用螺丝固定在内胎的中间部位，此时，长度为6cm的玻璃尺正处于电机正上方。在6cm玻璃尺及自行车内胎中心处钻孔，孔径约0.5cm，要求小孔在贯通球的螺纹长条的正上方。1.3.5 与风机对接根据风机出风口与框架的比例（出风口长15cm，宽13cm，框架中与风机对接处长43.6cm，宽30.6cm），在铁皮上画出所要裁剪的大致图形，将多余的铁皮剪去，并将剩余按以画好的的图样折叠，折叠后的铁皮只有三面，根据所缺面的大小裁剪相同的铁皮一块，用铆钉链接，呈筒状，

56、使其尽量密封，以免影响以后操作。在口小的一端钻孔，用螺丝与风机口连接，保持密封。口大的一端用铆钉固定在电机支架上。进行初步试用。将风机电机打开，对设计进行试用，状态良好。1.3.6 设计成果的完成喷漆。将风机与电机的筒状连接卸下，在室外对支架与筒状连接生锈处打磨，待锈迹清除干净之后，用绿色防锈漆进行喷漆，保证喷漆均匀，待防锈漆风干之后，搬入室内，再逐一连接，等待接下来的试验。将框架密封。为保证风机吹出的风不向球的周围泄漏，使风机的最大风量用于球自身，须把球四周的框架封死，除风机口及其对侧外，其他四面用硬纸堵住，再用胶带固定在框架上。1.4 结果与讨论经过对成果的初步试验，设计成果主要优缺点如下：优点：设计过程严格按照所计划尺寸，设计准确，能避免很多不必要的误差