关键概念
物理学
简易机器
楔子
气压
引言
正在寻找一个酷炫且令人惊讶的项目来向你的朋友展示吗？试试这个活动！拿一个土豆和一根吸管——也许还有一支铅笔——挑战你的朋友用最少的力气在土豆上钻孔。他们很可能找不到一种可以轻松完成这项任务的方法。最好的方法——一种需要你付出最少努力的方法——会让所有人感到惊讶！如何做到？调查并享受乐趣！你能找到一种可靠的方法来完成这项任务吗？你能解释这背后的物理原理吗？
背景
人体配备了一系列令人惊叹的工具：手指、牙齿、手臂等等。然而，有时这些工具不足以完成工作。我们使用工具来增强人类的推或拉能力，使任务更容易完成。想想手推车、剪刀、刀、弹射器和螺丝钉，所有这些都有助于我们完成各种任务。科学家们将这些工具称为简易机器。楔子就是一个例子。它有两个平面：一端较厚（如斧头的背面或针的顶部）；它逐渐变细，在另一端形成锋利的边缘（斧头的刀刃或针尖）。楔子用于分离两个物体、劈开一个物体、将物体保持在一起或防止它们移动。楔子的例子包括钉子、刀、订书钉和门楔。楔子将施加在楔子厚端的所有推力集中到侧面或锋利端或尖端较小的表面上。结果很明显——完成工作所需的推力更小。用黄油刀试试看。将刀刃端推入一块奶酪中，然后将刀转过来，小心地尝试将手柄尖端推入奶酪中。哪一面切奶酪需要更少的力气？是更锋利的一面，对吧？
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楔子是六种简易机器之一。其他的是滑轮、杠杆、轮子、斜面和螺丝钉。这些机器看起来非常直观，但有时会发生令人惊讶的事情。看看你在这个活动中能在哪里找到一些楔子，但不要忘记发挥创造力，思考其他起作用的因素！
材料
土豆，至少一英寸厚（最好是新鲜且坚硬的。）
砧板
切土豆的刀（应由成人协助完成此步骤。）
饮用吸管，每种方法尝试一根（应小心移除任何可弯曲的部分。）
一端尖一端平的铅笔（一端尖的筷子也可以。）
准备工作
请成人切土豆，这样你至少有一片大约一英寸厚的土豆片。
将土豆片放在砧板上。
你在这个活动中的目标是在土豆片上钻出大约铅笔或饮用吸管大小的孔。你能想到使用此活动中列出的材料的哪些方法？除了你自己的想法，你还可以在下面找到八种方法来尝试。尝试每一种方法；看看哪一种或哪些方法容易，并尝试解释原因。
以下是一些可以帮助你像科学家一样进行这项活动的技巧
在尝试一种方法之前，始终形成一个假设（或有根据的猜测）。完成以下句子将帮助你创建一个假设：“如果我……（描述你将要尝试的方法），我……（期望/不期望）在土豆片上创建一个孔，因为……。”
每次测试使用新的吸管。吸管在测试过程中可能会损坏，因此为了在相似的条件下尝试不同的方法，你每次测试都需要使用新的吸管。
每次测试后，花点时间调查结果。你的假设正确吗？你认为为什么会这样？你从这次测试中学到了什么？
出于安全原因，在测试时始终将土豆放在砧板上。
步骤
“扭转吸管”：握住吸管大约四分之三的高度，尝试将吸管扭转进去。如果你想知道吸管的边缘是否锋利，用手指沿着边缘摩擦。感觉锋利吗？你认为它会切入土豆吗？做出假设，进行测试并调查结果。它奏效了吗？容易吗？你从这次测试中学到了什么？
“扭转铅笔的平端”：握住铅笔大约离平端四分之三的高度，尝试将平端扭转进土豆。你认为这会奏效吗？做出假设，进行测试，看看你学到了什么。这次测试发生了什么？
“扭转铅笔的尖端”：将铅笔转过来，握住大约四分之三的高度，尝试将铅笔的尖端扭转进土豆。这会比以前的方法更容易还是更难？做出假设，进行测试并调查结果。
扭转方法奏效了吗？让我们尝试一些不同的方法：将物品砸在土豆上。
“砸吸管”：握住吸管大约离一端四分之三的高度（不要捏住吸管），将远端砸在土豆片上。你能将吸管强行穿过土豆吗？做出假设，进行测试并调查结果。你从这次测试中学到了什么？你的吸管足够结实吗？还是在力的作用下弯曲了？
“砸铅笔的平端”：用铅笔的平端重复上一种方法。
“砸铅笔的尖端”：用铅笔的尖端重复上一种方法。
“砸住堵住的吸管”：回到带有锋利边缘的吸管。（本次测试使用新的吸管。）握住它，使你的拇指堵住吸管的一端。小心地将另一端砸在土豆片上。在测试前不断做出假设，并在测试后调查结果。你的预测正确吗？你认为为什么会奏效或不奏效？
“砸折叠的吸管”：现在，尝试以另一种方式握住吸管。将吸管的一端折叠过来并牢牢地握住，使几乎没有空气可以从吸管的这一端逸出。将另一端砸在土豆片上。你认为这会奏效吗？它奏效了吗？为什么会奏效或不奏效？
回顾你尝试的所有方法。哪些方法效果好？哪些方法奏效，但很困难？哪些方法根本不起作用？你能看到趋势吗？你能解释为什么有些方法效果非常好，有些方法很困难，而另一些方法根本不起作用吗？
扩展：在其他水果或蔬菜或其他不同硬度的材料上尝试这些方法（当然要获得许可，并让成人监督你）。它会奏效吗？为什么会或为什么不会？
扩展：你能想出其他方法在土豆上切出这么大的孔吗？看看你是否可以使用你在房子周围找到的其他材料（但一定要征得许可，并让成人监督你）。
扩展：正如背景部分解释的那样，在这个活动中奏效的方法使用了——除其他外——一种称为“楔子”的简易机器来在土豆上切孔。你能在你家周围找到其他楔子的例子吗？
观察和结果
砸住堵住的吸管非常容易奏效，对吧？砸铅笔的尖端可能也成功了，尽管需要更多的力气；扭转铅笔可能很困难或不成功。
吸管的边缘和铅笔的尖端都是楔子。楔子使推开土豆肉更容易。最重要的是，你使用了砸的力量。扭转提供的是随时间推移逐渐分散的力，而砸提供的是瞬时力。楔子将这种瞬时力集中在一个小的表面积上——吸管的边缘或铅笔的尖端。这使得吸管或铅笔能够穿透土豆。
如果你用这个活动挑战你的朋友，堵住的吸管会给他们留下最深刻的印象；它足够坚固可以穿透土豆，而未堵住的版本会弯曲。你知道为什么吗？当堵住吸管并将另一端砸在土豆上时，你会将空气困在吸管内部。这些空气使吸管保持硬挺。它推压吸管的壁，从而防止吸管折叠。空气是一种气体，气体很容易被压缩。它仍然允许土豆肉进入吸管，但同时防止吸管塌陷和弯曲。
堵住的吸管比铅笔效果更好，因为使用吸管时，你只需要位移非常少量的土豆就可以为吸管腾出空间。使用铅笔时，虽然你位移了更多的土豆，但位移材料是做功，所以感觉更困难。
清理
土豆可以放入堆肥箱。吸管可以放入垃圾桶，其他厨房用具可以和脏盘子一起清洗。
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本活动由科学伙伴合作推出
