楊宏魁 關浩浩
摘 要:象棋和圍棋是我們中華民族幾千年來流傳下來的國粹,廣泛流行于各個年齡段的人群之間。說到下棋,自然離不開棋盤和棋子。傳統(tǒng)的棋盤和棋子結構簡單,使用方便,制作材料來源廣泛。但是棋子無法吸附至棋盤上,只能水平放置,無法滿足教學活動的需求。
關鍵詞:科技前沿;理論依據(jù);研究內(nèi)容
DOI:10.16640/j.cnki.37-1222/t.2019.04.197
當前市場上出現(xiàn)的磁性棋盤和棋子,主要通過在棋盤和棋子內(nèi)填充磁性物質來達到相互吸引的目的,通過巨大笨重的支架來達到使棋盤垂直放置的目的,這雖然在一定程度上滿足了教學活動的需要,但是也帶來一些新的問題。比如,棋盤和棋子內(nèi)的磁體對人體和環(huán)境都有不同程度的影響,笨重的支架給給搬運和擺放帶來了不便。
1 科技前沿
國內(nèi)外現(xiàn)有磁性棋盤都是使用磁鐵和磁體作棋子、棋盤,通過磁鐵對磁體的吸引來實現(xiàn)棋子在棋盤上的吸附。它們不同的地方在于磁鐵和磁體的選擇不同,棋子和棋盤誰用磁鐵誰用磁體不同。下面是兩種常見的棋盤類型:
第一種是棋盤當磁鐵,棋子當磁體型。它的棋盤內(nèi)部填充有磁粉,棋子內(nèi)部填充磁體。使用時,當棋子接觸棋盤時,兩者之間的磁力就會將棋子吸引在棋盤上。第二種是棋盤當磁體,棋子當磁鐵型。棋盤內(nèi)部夾有磁體,棋子內(nèi)部填充磁鐵。使用時,當棋子接觸棋盤時,兩者之間的磁力就會將棋子吸引在棋盤上。
同時國內(nèi)外現(xiàn)有磁性棋盤都是通過支架來實現(xiàn)棋盤的垂直放置,以便方便講解,教學。但是這種方式依賴于笨重的支架,不便于搬運和擺放。
2 理論依據(jù)
從國內(nèi)外現(xiàn)有狀況來看,現(xiàn)有的磁性棋盤都存在一些問題,比如內(nèi)部磁性危害周圍物品(手機,電腦,身份證,銀行卡等)和環(huán)境,笨重的支架使用很不方便??梢灶A見磁性棋盤將來的發(fā)展一定是向更方便,更環(huán)保的方向發(fā)展。
本課題所研究的吸附式電磁鐵磁性棋盤基于電磁鐵原理,在棋盤內(nèi)部裝入微型電磁鐵及線圈,通過控制流過線圈的電流來控制棋盤磁性的有無。同時在棋子內(nèi)部填入磁性物質,來實現(xiàn)吸附的目的。在棋盤背部合理的嵌入吸盤,使用時可以很方便的將棋盤固定在平整壁面上。
這種棋盤減少了磁污染,使用時能方便的固定在平整壁面上,是一件環(huán)保,方便的新型棋盤。
3 研究內(nèi)容
研究內(nèi)容一:如何利用電磁鐵將棋子吸附到棋盤上。
(1)研究棋盤與棋子之間的摩擦情況,確定一個棋子吸附到棋盤上所需要的力的大小。將棋子置于傾角α的斜劈之上,通過多次實驗測棋子恰好能停在棋盤之上,時棋盤傾角α實驗結果如下表所示:
由上表得:取α=26°:于是,μmgcos26°=mgsin26°,故棋盤與棋子之間摩擦系數(shù):?=0.509。
(2)研究電流與電磁鐵吸力大小之間的關系,確定流過每個電磁鐵電流的大小。磁場強度的計算公式:H = N × I / L式中:H為磁場強度,單位為A/m;N為線圈的匝數(shù);L為有效磁路長度,I為電流(測量值)由上式可得出線圈電流與磁場強度的關系。磁力的大小可以用磁力庫侖定律來計算,F(xiàn)=m1*m2/(Kr^2),其中K為常數(shù),R為磁極距離,m1為棋子內(nèi)磁體磁感應強度,m2為棋盤磁場磁感應強度。
(3)研究電磁鐵在棋盤上的布置方式:根據(jù)查詢資料,工業(yè)上諸如此類以點帶面產(chǎn)生均勻場的源點布置方式主要有均勻布置和斜式布置兩種,現(xiàn)通過計算確定最優(yōu)方案。
分別計算兩種分布的各點受力均值以及方差計入下表:
通過計算可以發(fā)現(xiàn):在F相同的情況下,與均勻布置相比,斜式布置多用了175%的電磁鐵,但卻只比均勻布置多提供138%的吸力,而且兩者在均勻受力方面差別不大,從經(jīng)濟角度考慮,應選擇均勻布置。
綜上:根據(jù)取安全系數(shù)K的值為2-3之間,即在電磁引力作用下棋盤于棋子產(chǎn)生的摩擦力等于K倍重力。然后據(jù)此根據(jù)棋子(內(nèi)附磁體)的質量選定電磁鐵型號。
研究內(nèi)容二:棋盤上部各個原件之間的合理連接。
(1)確定電源和電磁鐵之間的連接:整個產(chǎn)品以兩個薄木棋盤為外殼,在其木板上落棋子處挖出圓洞使電磁鐵卡在其中,使其在棋盤外產(chǎn)生磁場,對附著于其上的帶磁棋子產(chǎn)生引力,使其吸在棋盤之上。對內(nèi)部兩塊之間的電磁鐵用并聯(lián)電路連接,并在邊界處通過變壓器將整個電路整理出一個以USB接口為充電入口的電源。
(2)確定各部件之間的固定方法:電磁鐵與棋盤之間通過過盈配合進行連接,并通過膠槍進行固定,上下兩板之間加裝木條,再用膠槍粘為一體,從側面邊緣處開口并固定電源。整體完成之后再給木板外裝上空氣吸盤,以便使用時吸附于豎直壁面之上。
4 結束語
本課題所研究的吸附式電磁鐵磁性棋盤基于電磁鐵原理,在棋盤表面固定上裝入微型電磁鐵及線圈,通過控制流過線圈的電流通斷來控制棋盤磁性的有無。并且在棋子內(nèi)部填入磁性物質,來實現(xiàn)吸附的目的。同時在棋盤背部合理的嵌入吸盤,使用時可以很方便的將棋盤固定在平整壁面上。這種棋盤減少了磁污染,使用時能方便的固定在平整壁面上,是一件環(huán)保,方便的新型棋盤。
參考文獻:
[1]內(nèi)蒙古工業(yè)大學物理系.大學物理(第一版)[M].內(nèi)蒙古大學出版社,2002.
[2]趙凱華.電磁學(上、下冊)[M].人民教育出版社,1978(04).
[3]顧建中.力學教程[M].人民教育出版社,1979(03).