核心概念
物理学
力
重量
浮力
重力
质心
介绍
是时候扬帆起航了！即使你不住在湖泊或海洋附近，你也可以通过制作自己的玩具帆船来参与这项科学活动中的航行。但首先你必须确保你的船不会倾覆！你准备好迎接挑战了吗？
背景
你还记得在浴缸里玩玩具船吗——或者你曾经坐过真船吗？船之所以能漂浮是因为浮力。当它们被自身重量（由重力引起）的力向下拉时，它们也会被浮力向上推，浮力等于它们排开的水的体积的重量。（你可以在“更多探索”部分找到关于浮力的更详细解释。）有些船是用密度小于水的材料制成的，这意味着它们单位体积的质量较小。这些材料总是会漂浮。然而，另一些船是用金属（如钢铁）制成的，这些金属比水密度大得多。那么它们是如何漂浮的呢？它们可以漂浮是因为它们是空心的，所以船体内部有很多空的空气空间。船的平均密度（包括金属和空气）低于水的密度。
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船不仅需要漂浮——它们还需要保持直立，避免倾覆或翻倒。为了做到这一点，它们需要一个低的质心，这意味着它们的重量集中在船的底部，而不是顶部。这对于帆船来说似乎会是一个问题，因为帆船有非常高的桅杆，高高地伸入空中。在如此多的质量集中在高处的情况下，它们是如何保持平衡的呢？它们是通过船底的另一个部件——龙骨来实现的。（如果你只从水面上看过帆船，你甚至可能不知道龙骨的存在！）龙骨是船底的一个大部件，形状像鳍，有两个作用。它容纳压舱物或重物，有助于降低船的质心。它还有助于防止船被风吹向侧面。在这个项目中，你将看到龙骨如何帮助帆船防止倾覆并帮助它直线行驶。
材料
三个葡萄酒瓶塞
两条橡皮筋
牙签
几个螺钉或钉子
防水材料，例如工艺泡沫、蜡纸或纸牛奶盒，用于制作船帆
铝箔
水槽、浴缸或你可以装满水的大容器（容器应比你的钉子/螺钉的长度更深。）
准备工作
将你的容器装满水。确保水足够深，以便你可以垂直淹没你最长的钉子/螺钉。
步骤
将三个瓶塞排成一排（并排，而不是首尾相连）。
使用两条橡皮筋将瓶塞固定在一起，形成一个“筏子”。
将牙签插入中间的瓶塞，使其笔直向上。这是你船的桅杆（固定船帆的部分）。
裁剪一块正方形的薄防水材料来制作船帆。它应该大约为六厘米见方。
将牙签穿过船帆的相对两端（靠近边缘），以将其固定到位。
你已经制作了你的第一艘帆船！把它放在水里。发生了什么？
从后面吹船帆。发生了什么？
现在，通过移除橡皮筋和两个外侧的瓶塞，制作一艘更窄的船。保持船帆在原位。根据你最初连接船帆的方式，你可能需要将其旋转 90 度。
将你的新帆船放回水中。发生了什么？
糟糕！你的帆船可能翻了！那不好。为了解决这个问题，尝试添加龙骨。小心地将钉子或螺钉插入船的底部，直接与船帆相对。
尝试将船放回水中。这次它能保持直立吗？
如果你的船不能保持直立，继续添加钉子或螺钉（与第一个钉子或螺钉成一条直线），直到它可以在不倾覆的情况下漂浮。
现在再次尝试吹船帆。发生了什么？你的船直线行驶吗？
现在，你的龙骨是由一个或多个钉子/螺钉制成的，但它们彼此没有连接。剪下一块长方形的铝箔，紧紧地包裹在钉子/螺钉周围，使其形成鳍状。
将你的船放回水中，再次尝试吹船帆。这次发生了什么？它直线行驶吗？
额外内容：尝试制作更大的船帆，并使用木制烤串的一部分代替牙签作为桅杆。你的压舱物需要多重才能平衡带有更大船帆的船？提示：尝试将水平的钉子/螺钉连接到龙骨底部以充当压舱物。这样你就无需一直将更多的钉子/螺钉插入瓶塞中。
观察和结果
你的第一艘帆船可能非常稳定，因为它非常宽（由三个瓶塞制成）。然而，当你移除两个瓶塞使其变窄时，你的帆船可能变得不稳定并倾覆。这类似于双脚紧紧并拢而不是稍微分开站立——更难保持平衡。当你在帆船底部添加钉子/螺钉时，你降低了它的质心并使其更稳定。然而，单独的垂直钉子在抵抗水方面做得不好——水可以从它们周围流过。这意味着龙骨在使船直线行驶方面做得不好。如果你吹船帆，你的船可能会偏向一侧或原地打转。当你用铝箔包裹钉子时，你使龙骨更像鳍。它可以很容易地在一个方向上切入水中，但在另一个方向上对水产生很大的阻力。这使得你的船更容易向前移动，更难横向移动。这就是为什么真正的帆船可以又长又窄并且有高高的船帆——龙骨防止它们倾覆并帮助它们直线行驶！
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