核心概念
空氣動力學
力
物理學
升力
阻力
引言
你擅長投擲飛盤嗎？你有沒有想過飛盤是如何在空中飛行得如此之好的？如果你能投出完美的、弧形的曲線並擊中目標，那麼你已經訓練你的手臂來幫助飛盤飛行的空氣動力學了！在這個活動中，你將研究投擲飛盤的角度如何影響其飛行方向和距離。下次你外出投擲飛盤時，這個小小的空氣動力學課程可能會幫助你使投擲更加準確！
背景
在飛行過程中作用在飛盤上的兩個主要力是升力和阻力。升力是使飛盤保持在空中的力，在飛行中它與作用在圓盤質量上的重力相反。飛盤本身在空中飛行時會產生這種升力。由於飛盤的彎曲形狀，其上方的氣流必須以比下方更高的速度移動，從而在圓盤上方產生低壓，下方產生高壓。這種壓力差提供了升力。阻力是飛盤上的一種阻力，垂直於升力，它作用於圓盤在空氣中的運動。飛盤的投擲角度，我們稱之為“發射角”（也稱為攻角），會影響升力和阻力。
順便說一句，你可能已經注意到，如果沒有旋轉地投擲飛盤，它不會飛很遠。旋轉飛盤透過提供角動量來幫助它飛行，這有助於保持飛盤的穩定；它旋轉得越快，它應該越穩定。
材料
• 一個飛盤
• 長繩或軟管
• 可以投擲飛盤的大片空地
• 捲尺
• 一位助手（可選）
• 一張紙和一支筆或鉛筆（可選）
準備工作
• 在你面前使用長繩或軟管制作一條長長的直線，至少7.5米長。你將投擲飛盤，使其沿這條中心線向下。
• 練習沿著直線投擲飛盤幾次，以便你習慣投擲它。如果你以前沒有投擲過飛盤，你可能想嘗試練習一會兒。提示：投擲飛盤的好方法是側身站立，將飛盤放在你面前（靠近你非投擲的肩膀），然後在你釋放它之前水平地將圓盤移動到你身體前方。
• 如果在任何投擲飛盤的過程中有風，請記錄風速和風向。
步驟
• 儘可能平坦和水平地投擲飛盤，瞄準你製作的中心線向下。你可以讓助手觀察以確認你投擲飛盤的角度。它飛行了多遠？它偏離中心線多遠，向哪個方向（左或右）？如果你有一張紙和一支鉛筆或筆，你可以記錄此資料和所有後續的飛行資訊。
• 儘可能平坦和水平地再投擲飛盤至少四次。每次投擲飛盤時，使用相似的手臂運動和速度，使用相似的旋轉，並具有相同的釋放點。每次飛盤飛行了多遠？它偏離中心線多遠，向哪個方向？
• 將飛盤向上傾斜一點，以大約比之前的水平投擲高出 45 度的角度投擲。（你可以想象如果你的手臂是時鐘的時針，則之前的投擲將指向三點鐘方向，而本次投擲應瞄準一點鐘和兩點鐘之間）。至少以這種方式投擲五次。除了改變發射角外，嘗試保持飛行的所有其他方面相同。每次向上傾斜角度投擲時飛盤飛行了多遠？它偏離中心線多遠，向哪個方向？
• 將飛盤向下傾斜一點，瞄準低於水平投擲約 45 度的角度（在四點鐘和五點鐘之間），至少五次。同樣，嘗試保持每次飛行的所有其他方面相同。每次向下傾斜角度投擲時飛盤飛行了多遠？它偏離中心線多遠，向哪個方向？
• 你是否看到了發射角和飛行方向之間的一致關係？發射角和距離之間是否存在關係？根據空氣動力學原理，你認為你為什麼會看到這些關係？
• 額外：在這個活動中，你研究了飛盤的發射角如何影響其飛行距離和方向，但你只測試了幾個角度。你可以再次嘗試這個活動，但測試更多的角度，例如介於你在這個活動中嘗試的角度之間的角度。你可以錄製你的投擲影片，然後觀看影片以分析並確認你投擲飛盤的角度。飛盤使用其他發射角飛行效果如何？是否存在與距離和穩定性方面“最佳”飛行始終相關的角度？
• 額外：在這個活動中，沒有關注風對飛盤軌跡的影響，但它絕對是一個因素。迎風投擲飛盤的飛行會受到什麼影響？橫風或順風又會如何？在這些情況下，發射角如何改變飛行？
• 額外：你可以比較飛盤和航空飛盤（飛行環盤）的飛行情況。你注意到了什麼區別？你能用空氣動力解釋它們嗎？ 觀察和結果
當你儘可能平坦和水平地投擲飛盤時，它通常是否飛得相對直（不偏離左邊或右邊很遠）並且相當遠？當你將飛盤向上傾斜一點投擲時，它是否飛得相當高而遠，但不太直，在飛行結束時偏向一側？當你將飛盤向下傾斜一點投擲時，它是否幾乎沒有飛行那麼遠——並且它也偏向一側？
為了飛行良好，飛盤需要足夠的升力，並且阻力不能太大。當飛盤向下傾斜投擲時，它沒有太大的升力，因此很快就會落到地上。當飛盤以相對水平的方式投擲時，它具有良好的升力，因此應該飛得相對較遠——至少比飛盤向下傾斜投擲時飛得遠得多。當使用更大的發射角時，飛盤具有更大的升力。但是，你可能已經注意到，儘管向上投擲的飛盤飛得相對較高，但它可能在其飛行結束時突然失速。這可能導致它輕輕地著陸和/或迅速偏向一側。在這項活動中測試的三個發射角中，水平發射可能在距離和直度方面產生了整體“最佳”飛盤投擲效果。
更多探索 潛艇、火箭和橄欖球有什麼共同之處？ 來自 大眾科學 飛盤的邊緣對其飛行有什麼影響？ 來自探索館的“問問我們運動！”科學
飛盤的物理學 (pdf) 來自佛羅里達大學的凱瑟琳·凱勒
美國宇航局格倫研究中心：航空學入門指南 來自美國國家航空航天局
飛盤的物理學 (pdf) 來自加拿大艾莉森山大學的 V. R. Morrison
“終極”科學展覽專案：飛行盤空氣動力學 來自科學夥伴
此活動由 科學夥伴合作推出
關於支援科學新聞
如果你喜歡這篇文章，請考慮透過以下方式支援我們屢獲殊榮的新聞工作 訂閱。透過購買訂閱，你正在幫助確保關於當今塑造我們世界的發現和想法的有影響力的故事的未來。