楞次安全控速觀光降道設計

羅彬賓

（常州信息職業技術學院 常州市高端制造裝備智能化技術重點實驗室，江蘇常州 213164）

0 引言

在兒童玩樂中潛移默化地傳授科技知識，更能激發兒童對科技的興趣。本文從電磁感應現象出發，針對一些游樂場所的高空項目設計了一種楞次安全控速觀光降道[2]，這種觀光降道既新奇刺激，又容易理解解釋，可以很輕松地將其原理傳授給游玩的兒童，不但成本低，而且安全無害，材料很容易獲取，家長還可以很輕松地在家里重復其過程，因此其極具教育意義。

1 理論和實驗支撐

根據楞次定律：感應電流的磁場總要阻礙引起感應電流的磁通量的變化[3]。而且麥克斯韋進一步地闡述道：無論空間是否有導體，變化的磁場空間都會出現感應電場[4]，即為渦旋電場，渦旋電場的電場線是閉合的[5]。為了研究和驗證這些理論，各類研究人員做了各種各樣的實驗儀器，比如有楞次環[4,10]、感應線圈[9]、金屬管道[6-8]等，甚至有研究指向更為普遍性的情況，即非閉合導體的電磁感應現象[4,8]。很多研究人員給出了詳盡的實驗數據。為了更直觀地觀察這種電磁感應現象，設計了一個磁鐵在金屬管道中運行的實驗儀器。如圖1所示，該實驗為了防止楞次試驗儀材質對實驗的影響，除金屬管外其他部件均非導體材質，其中彈性層是由硬度低的材質構成，以免磁鐵直接與硬度高的基座碰撞而損傷磁鐵。實驗用的磁鐵為釹鐵硼磁鐵（φ20 mm×20 mm）；兩種銅管均為紫銅銅管且其外圓直徑均為φ28 mm，其長均為500 mm，壁厚為2.5 mm，其中帶縫（單縫）銅管的縫寬為1 mm；鋁管外圓直徑為φ28mm，其長為500 mm，壁厚為2.5 mm。對磁鐵在每種金屬管中運行的時間測量了5次，測量結果如表1所示。

圖1 楞次實驗儀

表1 圓柱磁鐵在金屬管中的運行時長 s

從表1中可以很清楚地觀察到，圓柱磁鐵在同等條件下經過不同金屬管的時間是不同的，金屬管側的縫隙對下落時間的影響是比較大的。通過這些數據對比發現，這個圓柱磁鐵在金屬管中的下落時間與清華大學黃志雷等[6]在《圓柱形磁鐵在金屬管道中的下落時間》一文中給出的公式基本一致,即

式中：r為金屬管半徑；a為金屬管壁厚；l為金屬管長；B為磁通密度；ρ為金屬管電阻率。當然這個公式只適用于無縫的金屬管，而對于帶縫的金屬管其偏差就顯得較大了，但是不管何種條件磁通密度B對磁鐵在金屬管中下落時間的影響是直接而又有效的。

在實驗中不但測得了一系列數據，也觀察到以下現象（如圖2）：圓柱磁鐵在無縫金屬管中從管口上方下落過程中，下落速度會在極短的時間內達到勻速，且圓柱磁鐵均會沿著金屬管的軸線勻速下落，如果圓柱磁鐵軸線在管口上方非豎直狀態，其在下落中會迅速調節為豎直狀態沿著金屬管的軸線勻速下落，且其自身還會有一個微弱的繞軸線自轉狀態。而對于帶縫的金屬管，磁鐵下落速度也會迅速達到勻速狀態，不管圓柱磁鐵的軸線在管口上方是否豎直，圓柱磁鐵的軸線都會迅速調整到豎直狀態并緊貼縫口勻速下落，下落過程中由于磁鐵柱面緊貼金屬管縫口下落產生刺耳的滑動摩擦音，并且其本身沒有出現自轉現象。

圖2 圓柱磁鐵在金屬管中下落狀態

2 楞次安全控速觀光降道的整體設計

根據所知的理論以及上述的實驗，我們可以清楚地認識到，磁通密度和金屬管的各種參數對圓柱磁鐵的下落時間影響很大的，但是如果設計高空游樂項目，我們很難在已經設定的情況下改變金屬管的各種參數，唯一可以輕易改變的是磁通密度，要控制圓柱磁鐵在給定的金屬管道中運行時間，就必須得改變圓柱磁鐵的磁通密度。因此根據這些條件為高空游樂項目設計了這樣一個楞次安全控速降道[2]。

如圖3所示，該楞次安全控速觀光降道是由絞盤、纜線、觀光艙體及金屬管道、旋轉矯正臺等組成的。其中觀光艙體的軸線在纜線和重力的作用下與金屬管道的軸線基本一致，且金屬管道的管口直徑稍大于觀光艙體的直徑，這樣觀光艙體就可以輕松地落入金屬管道之中了。我們通過滑輪、纜線及絞盤讓觀光艙體保持在金屬管道上方，當突然放開絞盤的制動系統或斷開纜線與觀光艙體的連接，那么觀光艙體在重力的作用下就會下落到金屬管道中，如果觀光艙體本身還是一個磁鐵的話，那么觀光艙體在短暫加速后勻速在金屬管道中緩緩下落，既安全又新奇，可以激發觀光者對其工作原理的探索，以達到寓教于樂的目的。當然如果觀光艙體在無縫的金屬管道中下落的話，長距離的相對密閉空間對觀光艙體中的乘坐人員的心理是一個很大的考驗。一個相對密閉的空間且無法看到外面的情況會讓部分乘坐人員心生恐懼，可能會導致其不適，因此我們根據圖1實驗所觀測到的現象，在金屬管道觀看風景的一側開一個可供觀光的縫隙。這個縫隙的設計，不但可以為乘坐者提供較好的觀光視野，也可以給予乘坐者一定的心理安慰，因為觀光艙體是緊貼縫隙下落的，乘坐者可以目視觀光艙體緊貼金屬管道縫隙兩側悠然滑落，這個過程可以極大地滿足乘坐者的心理安全需求。

圖3 楞次安全控速觀光降道示意圖

3 金屬管道及觀光艙體的設計

對于高空游樂項目來說，其與地面距離很長，那么整體式的金屬管道是極其不合理的，既不利于制造，也不利于安裝，因此金屬管道可以根據需要分段制作。其最底部的一段縫隙（如圖3）設計得較大，這樣可以方便觀光者出入。至于觀光艙體（如圖4），其上部為乘坐區，下部為電磁鐵區。乘坐區是由支撐框架與透明移動門等組成，其作用是在保障體驗者乘坐安全的同時，也為體驗者提供良好的觀光體驗。而電磁鐵區的作用是，可以根據體驗者的刺激偏好調節電磁鐵的磁通密度，當體驗者屬于害怕高強度刺激的那一類游客時，那么就增強其磁通密度，以減慢觀光艙體在金屬管道中運行的速度，反之則減弱其磁通密度。

4 觀光降道的安全設計

對于高空娛樂設備而言，相對于游樂體驗，游客的安全才是最重要的。雖然在實驗中，圓柱磁鐵下落過程穩定且安全，但我們不能排除其失效的可能性。導致其失效的最大可能性有兩種：一種是圓柱磁鐵的磁性失效；另一種是外部偶發性失效。對于圓柱磁鐵磁性失效，也就是其突發性無磁，那么圓柱磁鐵就會在金屬管道中做自由落體運動，如果沒有防護措施，那么其危害性是可想而知的。至于外部偶發性失效，從部分楞次實驗[9]可以看到：楞次實驗過程中感應電流可以輕松地點亮LED燈。根據能量守恒定律可以斷定：感應電流的流出會極大地損害金屬管道對圓柱磁鐵下墜阻力的作用，那么圓柱磁鐵很容易在金屬管中做類似自由落體運動。為了驗證是否會發生此種現象，在圖1實驗儀上的金屬管上纏繞銅線與LED燈相連?？梢院芮宄赜^察到，當圓柱磁鐵下落時，LED燈迅速點亮，且圓柱磁鐵在極短的時間內掉落到彈性層上。由此可見，當感應電流偶發性流出時，金屬管對圓柱磁鐵的下落阻力會變得極其無力。由于當圓柱磁鐵在有縫金屬管中下落時，圓柱磁鐵會緊貼金屬管縫口下滑，發出刺耳的滑動摩擦音，因此為了防止可能發生的安全隱患，在觀光艙體電磁區的支撐框架上面向金屬管縫隙的一側均勻安裝兩列滾輪（如圖4），滾輪上安裝壓力傳感器。滾輪的滾動可以消除滑動摩擦產生刺耳的噪聲，壓力傳感器可以起到示警的作用，也就是當觀光艙體在下墜過程中壓力傳感器的數值發生非合理范圍內變化時，可以迅速繃緊纜線，以阻止觀光艙體繼續下墜。當然為了進一步保障體驗者的安全，防止極端現象的發生，我們在金屬管道的底部設計了圖5所示的旋轉矯正臺。該旋轉矯正臺由旋轉臺、彈性承重臺、彈簧、基座、電動機等組成。其中旋轉臺可由電動機帶動，用來矯正觀光艙體下落過程中可能的自轉導致的艙門失位，防止體驗者無法正常地從艙門出入，而滾珠的作用是減小旋轉臺與彈性承重臺之間的摩擦，減輕電動機的負擔。彈性承重臺的作用是：當所有安全措施失效時，觀光艙體呈自由落體下墜時，彈性承重臺保障體驗者在極端情況下安然無恙地離開。

圖4 觀光艙體

圖5 旋轉矯正臺

5 結語

從游樂的角度出發，根據常見的電磁感應現象，設計了一款楞次安全控速降道。利用圓柱磁鐵在非對稱金屬管道（單縫金屬管道）下墜運動現象，使用滾輪消除滑動摩擦噪聲，利用壓力傳感器間接監測圓柱磁鐵在非對稱金屬管道墜落速度，以保障其運行安全。并在非對稱金屬管道基底處設計了旋轉矯正臺，以保證極端情況下體驗者的人身安全。