◆長(zhǎng)沙市長(zhǎng)郡芙蓉中學(xué) 伍澤航 鄧詩宇

高樓火災(zāi)發(fā)生時(shí)，如何讓被困者安全、快速、有效地自救和逃生？我們想設(shè)計(jì)一種不需要使用電源就能方便自救及互救的逃生裝置。

我們了解到，強(qiáng)力磁鐵在銅管或鋁管內(nèi)運(yùn)動(dòng)時(shí)，管壁會(huì)產(chǎn)生渦流電，渦流電產(chǎn)生電磁阻尼。利用這種原理再配合滑輪組增加承重，減緩下降速度，就可以設(shè)計(jì)一種不需要電源，適用于高樓逃生、游樂園或景區(qū)體驗(yàn)、深井救援的循環(huán)式電磁阻尼安全速降裝置。

一、實(shí)驗(yàn)與分析

1.不同材質(zhì)的管壁對(duì)磁鐵運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的影響

讓一塊直徑為3cm、厚0.5cm 的強(qiáng)磁力釹磁分別在長(zhǎng)1m、直徑為5cm 的塑料管、鋁管、銅管內(nèi)自由落體，記錄每次下降的時(shí)間，重復(fù)實(shí)驗(yàn)20 次（磁鐵會(huì)吸附在鐵管壁上，因此鐵管不適合本項(xiàng)目）。根據(jù)自由落體運(yùn)動(dòng)公式算出，強(qiáng)磁力的釹磁下降1m 所需的時(shí)間是0.452s。

分析上述實(shí)驗(yàn)結(jié)果可知：磁鐵在銅管內(nèi)下降時(shí)產(chǎn)生的電磁阻力更大，所以本裝置優(yōu)選的管材應(yīng)是銅管。

2.磁鐵數(shù)量對(duì)磁鐵在銅管內(nèi)運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的影響

將不同數(shù)量的磁鐵（每塊磁鐵的直徑為3cm、厚0.5cm）吸在一起，使其在長(zhǎng)1m、直徑為5cm 的銅管內(nèi)自由落體，記錄每次下降的時(shí)間，重復(fù)實(shí)驗(yàn)20 次。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，隨著磁鐵數(shù)量的增加，磁鐵在銅管內(nèi)下降時(shí)所受的電磁阻力越大。

因此，增加磁鐵的數(shù)量即可獲得較大的下降阻力。

3.多塊磁鐵不同間距對(duì)磁鐵在銅管內(nèi)運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的影響

將三塊強(qiáng)磁力的釹磁（直徑為3cm、厚0.5cm）按照磁鐵間距為0cm（即自然吸?。?、1cm、2cm、3cm 吸住（磁鐵與磁鐵之間分別夾相應(yīng)厚度的泡沫塊，如圖1），使其在長(zhǎng)1m、直徑為5cm 的銅管內(nèi)自由落體，記錄每次下降的時(shí)間，重復(fù)實(shí)驗(yàn)20 次。

圖1 多塊磁鐵不同間距對(duì)磁鐵在銅管內(nèi)運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的影響

實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，多塊磁鐵磁極相同時(shí)，相互吸住構(gòu)成一個(gè)較大的圓柱磁體，產(chǎn)生的電磁阻力與多塊磁鐵之間有一定距離產(chǎn)生的電磁阻力無明顯差異。從理論上分析，在磁鐵之間保持一定距離、成為各自獨(dú)立的磁體時(shí)，仍可將其看成一個(gè)磁體。

4.多塊磁鐵不同擺放方向?qū)Υ盆F在銅管內(nèi)運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的影響

將三塊強(qiáng)磁力的釹磁（直徑3cm、厚度0.5cm）按磁極方向相反，磁鐵之間分別相距1cm、2cm、3cm 捆綁（磁鐵與磁鐵之間分別夾相應(yīng)厚度泡沫塊，如圖2），使其在長(zhǎng)1m、直徑為5cm 的銅管內(nèi)自由落體，記錄每次下降的時(shí)間，重復(fù)實(shí)驗(yàn)20 次。

圖2 多塊磁鐵不同擺放方向?qū)Υ盆F在銅管內(nèi)運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的影響

分析實(shí)驗(yàn)結(jié)果可知，當(dāng)磁鐵的磁極方向相反時(shí)，磁鐵之間的距離對(duì)磁鐵在銅管中受到的電磁阻力的大小有一定的影響。本實(shí)驗(yàn)中，在磁體的大小、厚度和磁力強(qiáng)度不變的情況下，間距為2cm 時(shí)電磁阻力最大。

5.磁鐵大小對(duì)磁鐵在銅管內(nèi)阻力的影響

先用彈簧秤測(cè)兩種磁鐵（A 磁鐵23 克/塊，B 磁鐵250 克/塊），記錄彈簧秤的示數(shù)。再將不同數(shù)量與不同型號(hào)的磁鐵分別用細(xì)尼龍線系在彈簧秤的掛鉤上，保持細(xì)尼龍線的長(zhǎng)度為1m，用彈簧秤分別牽拉磁鐵在長(zhǎng)1m、直徑為5cm 的銅管內(nèi)勻速上升，記錄彈簧秤的示數(shù)。測(cè)得的數(shù)據(jù)如表1。

表1

分析上表實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)可知，每塊磁鐵在銅管中運(yùn)動(dòng)能產(chǎn)生的最大電磁阻力與其自重相當(dāng)。

二、方案設(shè)計(jì)與分析

將釹磁按磁極方向相反的方式安裝在鏈條上，連接通過兩端的鏈輪，使其兩邊分別穿過銅管。多塊釹磁在兩根銅管中循環(huán)運(yùn)動(dòng)時(shí)，產(chǎn)生渦流電形成阻力。當(dāng)連接環(huán)上的承重在一定范圍時(shí)，裝置可做勻速運(yùn)動(dòng)。配合滑輪組增加三倍或五倍承重，并減緩三倍或五倍下降的速度。

根據(jù)上述實(shí)驗(yàn)，如果要讓承載200kg 的速降裝置帶人安全速降，則磁鐵應(yīng)重達(dá)20kg（滑輪組五倍速）至35kg（滑輪組三倍速）。利用兩組滑輪交替往復(fù)，可達(dá)到高效速降的要求。

此外，我們還安裝了一個(gè)限速制動(dòng)裝置，控制裝置的降落速度不超過2m/s。若降落的速度超過2m/s，限速制動(dòng)器被觸發(fā)制動(dòng)降速，同時(shí)發(fā)出“滴滴”的報(bào)警聲，增加速降的安全系數(shù)。限速制動(dòng)裝置的結(jié)構(gòu)如圖3。

圖3 限速制動(dòng)裝置結(jié)構(gòu)圖

三、制作過程

將32 塊釹磁（直徑5cm、厚度2cm）按照磁極方向相反的方式、磁鐵之間的間距為3cm（此種類型的磁鐵間距為3cm 時(shí)產(chǎn)生的電磁阻力最大）安裝在鏈條上，通過支架穿過兩根并排的銅管，讓磁鐵在銅管內(nèi)進(jìn)行循環(huán)運(yùn)動(dòng)。

支架上端鏈輪兩邊設(shè)置有鋼索盤，其中一個(gè)鋼索盤與鏈輪進(jìn)行鋼性連接，另一個(gè)鋼索盤與鏈輪之間通過一個(gè)離合器進(jìn)行連接，使鋼索盤可與鏈輪分離（第一個(gè)人從鋼索盤與鏈輪進(jìn)行鋼性連接的一側(cè)速降時(shí)，該側(cè)鋼索盤不隨鏈輪轉(zhuǎn)動(dòng)），也可與鏈輪進(jìn)行咬合（待第一個(gè)人從鋼索盤與鏈輪進(jìn)行鋼性連接的一側(cè)速降到地面后，將離合器咬合，便可實(shí)現(xiàn)兩側(cè)往復(fù)式交替速降，即一側(cè)有人速降，另一側(cè)的鋼索自動(dòng)向上回收），兩邊的鋼索分別通過左、右兩側(cè)滑輪組與連接環(huán)連接。

將限速制動(dòng)裝置的感應(yīng)線圈（200 圈）固定在一根銅管的上方，兩個(gè)發(fā)電線圈（500圈和700 圈）固定在兩根銅管的下方，將限速制動(dòng)盤固定在鋼索輪上，控制盒安裝在同側(cè)支架上方。最后，用限速控制電路將發(fā)電線圈、感應(yīng)線圈、橋式整流模塊、穩(wěn)壓模塊、儲(chǔ)電模塊、雙聯(lián)低電平繼電器模塊、三極管等與控制器連接。裝置模型如圖4。

圖4 循環(huán)式電磁阻尼安全速降裝置模型

四、模型測(cè)試

當(dāng)裝置一側(cè)的連接環(huán)承重在10kg 至20kg 時(shí)，一側(cè)會(huì)勻速下降，另一側(cè)勻速上升，速度約為0.175m/s。人從高處落下，速度不超過2m/s 時(shí)，不會(huì)受傷。當(dāng)連接環(huán)承重超過30kg 時(shí)，會(huì)加速下降，當(dāng)下降速度超過2m/s 時(shí)，會(huì)觸發(fā)限速制動(dòng)裝置制動(dòng)降速，保證安全速降。由此可知，此裝置能讓人從高處安全地速降。

圖5 模型測(cè)試

五、創(chuàng)新點(diǎn)

1.本裝置能在沒有外接電源的情況下，利用強(qiáng)磁鐵在銅管中循環(huán)運(yùn)動(dòng)持續(xù)產(chǎn)生渦流電對(duì)其產(chǎn)生持續(xù)阻力的電磁阻尼原理，配合滑輪組增加承重，減緩下降速度，并能在限速制動(dòng)器的控制下確保安全速降，實(shí)現(xiàn)循環(huán)往復(fù)使用。

2.本項(xiàng)目通過實(shí)驗(yàn)獲取了相關(guān)數(shù)據(jù)，為裝置制作提供參數(shù)，確保裝置能達(dá)到安全速降的目的，保證了救援、逃生時(shí)的安全性。

3.本項(xiàng)目還適用于井下救援，并為游樂場(chǎng)、景區(qū)等進(jìn)行高空體驗(yàn)活動(dòng)提供參考。

專家點(diǎn)評(píng)

這項(xiàng)發(fā)明作品的出現(xiàn)讓我感到十分欣慰。

其一，兩位初中生學(xué)習(xí)了電與磁的相關(guān)知識(shí)后，主動(dòng)將其運(yùn)用到自己的發(fā)明中，用“求別解”的發(fā)明方法，使發(fā)生高樓火災(zāi)時(shí)，人們快速、安全、有效地自救有了新的解決方式，體現(xiàn)了他們將知識(shí)應(yīng)用于生產(chǎn)、生活——“知行合一”的實(shí)踐精神。

其二，兩位同學(xué)僅憑初中的電與磁知識(shí)，要完成這項(xiàng)作品顯然是不夠的，他們需要通過學(xué)習(xí)獲取更多的知識(shí)，充分展示了兩位同學(xué)敢于“跳起來摘桃子”的進(jìn)取精神。

其三，這個(gè)項(xiàng)目從發(fā)現(xiàn)問題、分析問題到設(shè)計(jì)與制作，再到驗(yàn)證與改進(jìn)，經(jīng)過了很長(zhǎng)的時(shí)間，力爭(zhēng)用事實(shí)與數(shù)據(jù)說話，這種實(shí)事求是的科學(xué)態(tài)度值得稱道。

其四，兩位輔導(dǎo)老師具有教育情懷、落實(shí)在培育科創(chuàng)人才幼苗根本任務(wù)之上的專業(yè)性指導(dǎo)，既科學(xué)又實(shí)用，值得推崇！