核心概念
物理学
工程学
机械能
电能
风
引言
风能在美国越来越受欢迎——也许你甚至在你住的地方附近看到过风力发电场！2015年，美国使用的电力中大约有7%来自风力发电。所以谁知道呢，当你打开家里的灯时，那光可能来自风能！
风能由风力涡轮机产生。这些机器看起来像巨大的风车，它们的工作是将风的能量转化为机械能或电能。信不信由你，我们今天使用的风力涡轮机是基于4000多年前的设计！
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在这个活动中，我们将通过测试风车并了解可以提高其性能的因素来探索不同的涡轮机设计。
背景
风力涡轮机将风转化为机械能或电能。一种风力涡轮机，即风车，已经在世界各地使用了数千年，用于将风能转化为机械能，用于磨碎谷物和输送水等任务。最近，使用涡轮机将风能转化为电能的风力发电场越来越受欢迎。在一些州，风能正迅速成为主要的电力来源。例如，2015年，爱荷华州使用的电力中有30%以上来自风能！
一般来说，风力涡轮机都具有相同的基本组件：转子上的叶片连接到轴，两者都被击中转子叶片的风转动。为了使风能尽可能高效，工程师们已经尝试了许多不同的风力涡轮机设计。例如，涡轮机可以在水平或垂直轴上旋转，并且具有大或小的叶片。在某些情况下，它们甚至可以是无叶片的！
风力涡轮机设计的变化取决于涡轮机的位置以及环境因素如何影响其性能。然而，目标始终是最大限度地从风中提取能量。您将探索其中一个因素——叶片形状——以确定它们如何影响风车的效率。
材料
四张 8x11 英寸的彩色纸
贴纸或胶带
三个平头图钉或按钉
三个细木钉或大工艺棒
剪刀
尺子
胶水
成人帮手
笔或铅笔
时钟或定时器
锤子或软槌（可选）
风扇（可选）
吹风机（可选）
准备工作
从两张彩色纸上剪下两个 8x8 英寸的正方形。将一个正方形放在另一个正方形的顶部，并将所有边缘对齐，然后将这两张纸粘在一起，制成一个 8x8 英寸的正方形。提示：为了制作一个漂亮的风车，可以使用两种不同颜色的纸。
使用第三张彩色纸剪下八条 4x2 英寸的纸条。对于每对纸条，将一条纸条放在另一条纸条的顶部，并将所有边缘对齐，然后将这两条纸条粘在一起。完成后，您应该有四条 4x2 英寸的纸条。
使用最后两张彩色纸剪下八个三角形，每个三角形的底边为 3 英寸，高为 4 英寸。对于每对三角形，将一个三角形放在另一个三角形的顶部，并将所有边缘对齐，然后将这两个三角形粘在一起。完成后，您应该有四个三角形，每个三角形高 4 英寸，底边为 3 英寸。
步骤
此活动需要处理锋利的材料，请让成人帮助您完成这些步骤！
从您的 8x8 英寸正方形纸开始。将正方形沿对角线对折并形成折痕。将其打开，然后再次沿对角线折叠，这次沿相反的方向。形成折痕，然后将纸张展开成正方形。
用剪刀沿对角线折痕从每个角剪开，在距离中心 1.5 英寸处停止。
您现在有一个带有四个翼或花瓣的正方形。从最上面的花瓣开始，轻轻地向下折叠花瓣的右角并将其保持在正方形的中心。尽量不要折皱纸张。对每个剩余的花瓣重复此操作，用手将每个角保持在中心位置。提示：请成人帮助您在您围绕正方形工作时固定花瓣。
一旦所有四个花瓣都有一个角折叠到中心，用棍子或胶带将其固定到位。
在成人的帮助下，将图钉穿过风车中心的贴纸或胶带。使用图钉将风车固定在木钉的顶部。（如有必要，请为此步骤使用锤子或软槌。）确保风车牢固固定，但仍可以在图钉上转动。
取下您的四条 4x2 英寸的彩色纸条。将每条纸条沿垂直方向向下对折，然后再次打开，使纸张形成“V”形。
使用尺子从每条纸条的短边测量 1/2 英寸。使用笔或铅笔在纸条的中心，距离末端 1/2 英寸处做一个小标记。
在成人的帮助下，将图钉穿过每条纸条上的标记，直到所有四条纸条都固定在图钉上。将它们彼此展开，使其指向四个不同的方向。使用图钉将第二个风车固定在木钉的顶部。（此步骤可能需要使用锤子或软槌。）确保风车牢固固定，但仍可以在图钉上转动。
最后，将您剪下的四个三角形中的每一个从顶点到基部沿中心向下折叠，然后再次打开，使每张纸形成“V”形。
使用尺子从三角形的顶点测量 1/2 英寸。用笔或铅笔标记此点。
在成人的帮助下，将图钉穿过每个三角形上的标记，直到所有四个三角形都固定在图钉上。将它们彼此展开，使其指向四个不同的方向。使用图钉将第二个风车固定在木钉的顶部。（如有必要，请为此步骤使用锤子或软槌。）确保风车牢固固定，但仍可以在图钉上转动。
测试您的每个风车设计。如果外面有风，您可以将它们带到外面并在微风中握住它们。或者，您可以将它们分别放在小型风扇或吊扇的前面，或者使用吹风机的最低冷风设置吹向您的风车。
对于每次测试，将风车迎风放置，并计算一分钟内的完整旋转次数。还要观察风车在风中的表现。哪个风车看起来最坚固？哪个看起来最弱？
附加：测试其他风车设计。观察哪些因素似乎对创造最佳风车最重要。
观察和结果
在本活动中，您设计并测试了三种不同的模型风车。您测试的每个设计都有不同形状的转子叶片。
您应该发现，当放置在风扇前或微风中时，第一个带有折叠叶片的风车旋转得最快最顺畅。三角形和矩形的叶片可能没有您测试的第一个叶片旋转得快或高效。
每个风车的性能差异是您测试的不同形状的转子叶片造成的。第一个风车的叶片设计允许每个叶片在旋转时捕获最多的空气。要理解为什么这使其移动得更快，请想象一个游泳运动员在水中比赛。每次划水时，一个优秀的游泳运动员都会保持手掌闭合并略微弯曲，以尝试捕获最多的水。这使游泳运动员能够“推动”更多的水并推动自己前进。您可以想象，如果他们张开手指，让水流过，他们将无法像现在这样快速地推动自己穿过水面。
您的第一个风车设计是基于相同的原理。因为它被折叠起来，所以它就像一个收集空气的口袋。它可以收集的空气越多，它就越有效地被推到杆周围。其他两个风车设计没有以相同的方式收集空气。风吹过，但没有撞到那些版本的叶片；因此，它们没有像第一个设计那样快速或顺畅地被推动。
既然您了解了风车转子叶片设计的基础知识，请尝试制作您能做的最有效的风车！
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