关键概念
物理学
速度
力
重量
重力
几何学
引言
今年夏天，你是否花时间在腰部或手臂上转动呼啦圈？ 你能轻松做到还是觉得困难？ 你有没有想过呼啦圈是如何工作的，或者是什么让它们能够围绕人的腰部或手臂旋转——似乎违反了重力？ 答案可以用物理学来解释，它可以帮助你确定什么使呼啦圈有效。 在此活动中，你将创建自己的呼啦圈，并研究它们的重量如何影响它们的旋转。 你认为重的呼啦圈还是轻的呼啦圈会转得更好？ 准备好做一些呼啦圈运动来找出答案吧！
背景
是什么让呼啦圈围绕人的腰部旋转？ 这归结于几个因素的组合。 每个物体都有重量，它会将其向下拉向地面。 为了将物体从地面抬起，你需要施加一个向上的力（推力或拉力）。 为了使物体旋转，你需要施加一个产生扭矩的推力或拉力（例如当你扭动门把手时）。 因此，要使呼啦圈旋转并保持在空中，你需要用你的臀部施加向上的力和扭矩。 呼啦圈过程中涉及的另一个力是摩擦力，即抵抗两个表面相互滑动的力。 例如，如果你推一本书并让它在桌子上滑动，它会由于摩擦而减速停止。 如果你想让它继续移动，你必须一直推它。 同样，呼啦圈与呼啦圈使用者的衣服和空气之间的摩擦会导致呼啦圈的旋转减慢。 为了让它保持在空中，你必须不断地旋转它并向上推它。 然而，当它与你的臀部接触时，摩擦力也有助于防止呼啦圈向下滑动。
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对于一个玩具来说，这听起来可能有很多复杂的物理学原理，但别担心！你将在这个项目中做一些呼啦圈运动并亲自探索。 你认为呼啦圈的重量如何影响它的旋转？
材料
• 卷尺
• 计算器
• PVC切割器（首选），或锋利的切割刀或其他可以安全切割聚管的切割器
• 聚管，通常用于灌溉的硬质黑色管材（五分之八、四分之三或一英寸直径，长度约 25 英尺，但通常以 100 英尺的卷出售）。 可从园艺用品店或家居装修店购买。
• 聚插入式接头或木销，可以紧密地安装在聚管内。 例如，如果你使用四分之三英寸的管材，你将需要使用四分之三英寸的聚插入式接头。 这也应该可以从园艺用品店或家居装修店购买。
• 吹风机
• 宽塑料胶带，如管道胶带
• 一杯沙子
• 量杯
• 开口可以放入聚管的漏斗或一张厚纸和胶带
• 水桶（可选）
• 定时器或秒表
• 成人帮手
• 另一个帮助测试呼啦圈的帮手（可选）
准备工作
• 测量从地面到呼啦圈使用者肚脐和胸部中间位置之间的距离。 这将是呼啦圈的高度（或直径）。
• 为了计算出要切割制作呼啦圈的聚管长度，将你刚测量的数字乘以 pi (3.14)。 （圆的周长等于 pi 乘以圆的直径。）
• 测量所需的聚管长度，并让成人使用 PVC 切割器或锋利的切割刀小心地在正确的位置切割管材。
• 使用聚插入式接头（或木销）连接管材的末端，使它们形成一个圆。 如果配合紧密，请在将接头插入管材内部之前，使用吹风机将管材末端（一次一个）加热约两分钟。 将接头插入管材的一端，直到接头插入一半左右，然后将接头的另一半插入管材的另一自由端。 将管材推到一起，直到几乎看不到（或看不到）接头，如果难以插入接头，请使用吹风机加热管材。
• 在管材两个末端连接的地方放上一小段宽塑料胶带。
• 按照此过程制作第二个尺寸相同的呼啦圈，但这次在用聚插入式接头连接末端之前，在管中加入一杯沙子（以增加其重量）。 要添加沙子，请使用漏斗小心地将沙子倒入管中。 你可能需要在水桶上方执行此操作和/或让帮手协助。 （你应该将任何溢出的沙子倒入管中。）如果你没有漏斗，你可以将一张厚纸卷成锥形，在末端留一个孔，然后用胶带固定，从而制作一个漏斗。 当你制作完两个呼啦圈后，它们彼此之间的感觉如何？
步骤
• 现在你将用自制的呼啦圈做一些呼啦圈运动。 如果你需要关于如何使用呼啦圈的说明或技巧，你可以观看在线教学视频，例如这个。
• 先拿起较轻的两个呼啦圈试用。
• 让一个人（你自己或帮手）在他们的腰部周围使用呼啦圈，当他们达到稳定的节奏时，帮手开始计时。 让帮手对这个人计时一分钟，并计算出呼啦圈在那段时间内转了多少整圈。 如果呼啦圈使用者无法在整整一分钟内使用呼啦圈，请尝试重新开始或尝试仅收集 30 秒的数据。呼啦圈使用者在一分钟内能让较轻的呼啦圈旋转多少次？ 呼啦圈使用者转得如何？ 它看起来是否笨拙或旋转良好？
• 对较重的呼啦圈重复此过程，再次计时呼啦圈使用者在一分钟内可以转多少圈。（确保呼啦圈使用者在收集数据时不要换衣服。）呼啦圈使用者旋转较重的呼啦圈比旋转较轻的呼啦圈快还是慢？ 你认为这是为什么？ 这个呼啦圈旋转起来感觉更笨拙还是更轻松，或者与另一个呼啦圈差不多？
• 哪个呼啦圈转得更快，较轻的还是较重的？ 速度更快的呼啦圈是否也是一旦开始就最容易旋转的？
• 如果你愿意，你可以为每个呼啦圈重复此过程几次。 你的结果是否一致？
• 为了获得更多数据，呼啦圈使用者和帮手可以交换角色，并为两个呼啦圈重复此过程。 其他人是否获得了类似的结果？
• 额外：在此活动中，你比较了尺寸相同但重量不同的呼啦圈。 你可以再次重复此活动，但这次制作尺寸不同的呼啦圈。 提示：最小的呼啦圈的直径应达到呼啦圈使用者的肚脐，最大的应达到他们的胸部中间。呼啦圈的尺寸如何影响其旋转？
• 额外：你可以制作更大范围的呼啦圈，例如通过添加不同数量的沙子和/或制作几种不同尺寸的呼啦圈。 速度、重量和/或呼啦圈的尺寸之间是否存在关系？ 如果是，那是什么？
• 额外：尝试穿着不同类型的衣服使用呼啦圈。 不同的服装会影响呼啦圈的旋转速度吗？ 你可以将你的结果与摩擦力联系起来吗？ 观察和结果
较重的呼啦圈是否比较轻的呼啦圈转得慢？ 是否很难让较重的呼啦圈长时间旋转，而让较轻的呼啦圈旋转则容易得多？
添加了沙子的呼啦圈应该明显比没有沙子的呼啦圈感觉更重。 由于其重量更大，较重的呼啦圈在空中旋转时会被更多地向下拉。 呼啦圈使用者可能感觉需要更加努力才能使较重的呼啦圈保持向上旋转，甚至可能难以将其保持在腰部水平以上 30 秒。 较重的呼啦圈的旋转速度可能比轻的呼啦圈慢得多（例如，较重的呼啦圈每分钟旋转约 60 到 70 转，而较轻的呼啦圈每分钟旋转 100 到 120 转），尽管可能会有很多变化，具体取决于呼啦圈使用者和呼啦圈。
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此活动由 科学伙伴合作推出