核心概念
物理學
工程學
機械能
電能
風
引言
風能在美國越來越受歡迎——也許你甚至在你住的地方附近看到過風力發電場！2015年，美國使用的電力中大約有7%來自風力發電。所以誰知道呢，當你開啟家裡的燈時，那光可能來自風能！
風能由風力渦輪機產生。這些機器看起來像巨大的風車，它們的工作是將風的能量轉化為機械能或電能。信不信由你，我們今天使用的風力渦輪機是基於4000多年前的設計！
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在這個活動中，我們將透過測試風車並瞭解可以提高其效能的因素來探索不同的渦輪機設計。
背景
風力渦輪機將風轉化為機械能或電能。一種風力渦輪機，即風車，已經在世界各地使用了數千年，用於將風能轉化為機械能，用於磨碎穀物和輸送水等任務。最近，使用渦輪機將風能轉化為電能的風力發電場越來越受歡迎。在一些州，風能正迅速成為主要的電力來源。例如，2015年，愛荷華州使用的電力中有30%以上來自風能！
一般來說，風力渦輪機都具有相同的基本元件：轉子上的葉片連線到軸，兩者都被擊中轉子葉片的風轉動。為了使風能儘可能高效，工程師們已經嘗試了許多不同的風力渦輪機設計。例如，渦輪機可以在水平或垂直軸上旋轉，並且具有大或小的葉片。在某些情況下，它們甚至可以是無葉片的！
風力渦輪機設計的變化取決於渦輪機的位置以及環境因素如何影響其效能。然而，目標始終是最大限度地從風中提取能量。您將探索其中一個因素——葉片形狀——以確定它們如何影響風車的效率。
材料
四張 8x11 英寸的彩色紙
貼紙或膠帶
三個平頭圖釘或按釘
三個細木釘或大工藝棒
剪刀
尺子
膠水
成人幫手
筆或鉛筆
時鐘或定時器
錘子或軟槌（可選）
風扇（可選）
吹風機（可選）
準備工作
從兩張彩色紙上剪下兩個 8x8 英寸的正方形。將一個正方形放在另一個正方形的頂部，並將所有邊緣對齊，然後將這兩張紙粘在一起，製成一個 8x8 英寸的正方形。提示：為了製作一個漂亮的風車，可以使用兩種不同顏色的紙。
使用第三張彩色紙剪下八條 4x2 英寸的紙條。對於每對紙條，將一條紙條放在另一條紙條的頂部，並將所有邊緣對齊，然後將這兩條紙條粘在一起。完成後，您應該有四條 4x2 英寸的紙條。
使用最後兩張彩色紙剪下八個三角形，每個三角形的底邊為 3 英寸，高為 4 英寸。對於每對三角形，將一個三角形放在另一個三角形的頂部，並將所有邊緣對齊，然後將這兩個三角形粘在一起。完成後，您應該有四個三角形，每個三角形高 4 英寸，底邊為 3 英寸。
步驟
此活動需要處理鋒利的材料，請讓成人幫助您完成這些步驟！
從您的 8x8 英寸正方形紙開始。將正方形沿對角線對摺並形成摺痕。將其開啟，然後再次沿對角線摺疊，這次沿相反的方向。形成摺痕，然後將紙張展開成正方形。
用剪刀沿對角線摺痕從每個角剪開，在距離中心 1.5 英寸處停止。
您現在有一個帶有四個翼或花瓣的正方形。從最上面的花瓣開始，輕輕地向下摺疊花瓣的右角並將其保持在正方形的中心。儘量不要折皺紙張。對每個剩餘的花瓣重複此操作，用手將每個角保持在中心位置。提示：請成人幫助您在您圍繞正方形工作時固定花瓣。
一旦所有四個花瓣都有一個角摺疊到中心，用棍子或膠帶將其固定到位。
在成人的幫助下，將圖釘穿過風車中心的貼紙或膠帶。使用圖釘將風車固定在木釘的頂部。（如有必要，請為此步驟使用錘子或軟槌。）確保風車牢固固定，但仍可以在圖釘上轉動。
取下您的四條 4x2 英寸的彩色紙條。將每條紙條沿垂直方向向下對摺，然後再次開啟，使紙張形成“V”形。
使用尺子從每條紙條的短邊測量 1/2 英寸。使用筆或鉛筆在紙條的中心，距離末端 1/2 英寸處做一個小標記。
在成人的幫助下，將圖釘穿過每條紙條上的標記，直到所有四條紙條都固定在圖釘上。將它們彼此展開，使其指向四個不同的方向。使用圖釘將第二個風車固定在木釘的頂部。（此步驟可能需要使用錘子或軟槌。）確保風車牢固固定，但仍可以在圖釘上轉動。
最後，將您剪下的四個三角形中的每一個從頂點到基部沿中心向下摺疊，然後再次開啟，使每張紙形成“V”形。
使用尺子從三角形的頂點測量 1/2 英寸。用筆或鉛筆標記此點。
在成人的幫助下，將圖釘穿過每個三角形上的標記，直到所有四個三角形都固定在圖釘上。將它們彼此展開，使其指向四個不同的方向。使用圖釘將第二個風車固定在木釘的頂部。（如有必要，請為此步驟使用錘子或軟槌。）確保風車牢固固定，但仍可以在圖釘上轉動。
測試您的每個風車設計。如果外面有風，您可以將它們帶到外面並在微風中握住它們。或者，您可以將它們分別放在小型風扇或吊扇的前面，或者使用吹風機的最低冷風設定吹向您的風車。
對於每次測試，將風車迎風放置，並計算一分鐘內的完整旋轉次數。還要觀察風車在風中的表現。哪個風車看起來最堅固？哪個看起來最弱？
附加：測試其他風車設計。觀察哪些因素似乎對創造最佳風車最重要。
觀察和結果
在本活動中，您設計並測試了三種不同的模型風車。您測試的每個設計都有不同形狀的轉子葉片。
您應該發現，當放置在風扇前或微風中時，第一個帶有摺疊葉片的風車旋轉得最快最順暢。三角形和矩形的葉片可能沒有您測試的第一個葉片旋轉得快或高效。
每個風車的效能差異是您測試的不同形狀的轉子葉片造成的。第一個風車的葉片設計允許每個葉片在旋轉時捕獲最多的空氣。要理解為什麼這使其移動得更快，請想象一個游泳運動員在水中比賽。每次划水時，一個優秀的游泳運動員都會保持手掌閉合並略微彎曲，以嘗試捕獲最多的水。這使游泳運動員能夠“推動”更多的水並推動自己前進。您可以想象，如果他們張開手指，讓水流過，他們將無法像現在這樣快速地推動自己穿過水麵。
您的第一個風車設計是基於相同的原理。因為它被摺疊起來，所以它就像一個收集空氣的口袋。它可以收集的空氣越多，它就越有效地被推到杆周圍。其他兩個風車設計沒有以相同的方式收集空氣。風吹過，但沒有撞到那些版本的葉片；因此，它們沒有像第一個設計那樣快速或順暢地被推動。
既然您瞭解了風車轉子葉片設計的基礎知識，請嘗試製作您能做的最有效的風車！
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此活動由科學夥伴合作推出
