2022年10月17日,Sean Li '23出版

一对流体动力组合的冒险:皇冠体育物理学院的学生在阿拉斯加的比赛中竞争

连续28小时醒着,产生幻觉, 别无选择,只能忍受“持续的不适和焦虑”,忍受4米高的驻波——这听起来就像物理学3000次谐波振荡器问题的前一晚, 而是25岁的物理系学生迦勒 McDaniels和25岁的Sam Bonauto在汤森港的冷水中骑车时的真实经历, 华盛顿, 一直到加拿大海岸的凯奇坎, 阿拉斯加, 今年六月.
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Sam Bonauto, 25岁.

两人一起参加了 奔向阿拉斯加 (爱好者简称“R2AK”), 这是一场由人力和风力驱动的帆船比赛,全程1200公里,沿着无情的内陆航道到达阿拉斯加. 

这项比赛在华盛顿州很有名,萨姆从八年级开始就在那里航行. 迦勒, 来自加州, 他一生都在航海, 当他在皇冠体育与山姆合作做物理作业时,他遇到了山姆, 他盼望着参加比赛的机会. 当凯勒申请一艘单人船时,R2AK的组织者告诉他,他需要更大的东西, 他说服萨姆一起去.

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凯莱布·麦克丹尼尔斯25岁.

于是,打着……的旗号 团队金翅雀, 这两名水手开始了一次航行,他们将在网上论坛上浏览, 工程问题, 赛尔斯地下室的机械车间, 古老的经典力学, 最后, 巨大的海浪, 风速30节(每秒15米), 以及被涨潮抬升的滑坡碎片. 在45支队伍中,他们获得了26名th 第一阶段(从汤森港到不列颠哥伦比亚省维多利亚60公里)和13th 完成第二阶段(从维多利亚到凯奇坎1140公里)的19条铁路中.

任何没有发动机的船都可以参加R2AK,但不是任何一个水手都可以完成比赛. 凯莱布和萨姆跟一个建筑商借了一艘小帆船,双方约定“你弄坏了,你付钱”. 风险是真实存在的:在比赛的第一天,海岸警卫队就进行了四次救援, 他们将目睹另一支队伍的桅杆在冲击载荷下折断,这是由于船被海浪甩来甩去而产生的明显的风. 但在他们看到船之前, 凯莱布和萨姆开始设计一个人力推进系统.
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凯勒和萨姆从建筑商那里借来的帆船.
“你不会划船,”凯莱布解释说. “单是几何形状就具有挑战性.“而划艇又长又细, 帆船需要更大的宽度和浮力在船头,以有效地在帆动力下, 而且通常离水面较高. 这就排除了划船的可能性,但也不总是有顺风可以依靠. 凯莱布和萨姆需要另一种方式来持续推进. “其实那里有一些很好的物理学。”凯莱布咧嘴笑着补充道. “用划艇, 你的运动不是连续的推力——你有你的中风和恢复阶段,迦勒说。. 但是螺旋桨可以产生持续的推力,对帆船来说效率更高. (在一个并排 比较然而,桨可能胜出). 
两人决定制造一个脚踏驱动, 这是, 踏板驱动的螺旋桨, 在本·金的帮助下, 物理系的机械师. “我带来了很多怀疑,”本承认. “我说,‘你要在盐水里开两周的自行车连锁店.’”萨姆称赞本找出了“通常最先崩溃的东西,以及如何确保它在整个比赛中都能持续下去.“凭借几十年的经验,”本说,“我见过很多事情失败。.”
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凯莱布和萨姆的踏板驱动定制零件的CAD模型.
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凯莱布在机械车间用踏板驱动.
与 的祝福 物理学教授戴尔·西弗斯凯莱布和萨姆在物理系和本一起工作 机械工厂这是一个令人印象深刻的设施,隐藏在塞尔斯地下室的北端. 他们从一辆捐赠的自行车上收获了一些部件, 像底部支架壳, 曲轴轴承, 还有轮毂(对于我们这些还没有记住自行车解剖的人来说), 如下图所示). 迦勒在论坛上寻找创意,三人使用一些腐烂的2x4木板制作原型. 山姆“从西夫韦买了一把草坪椅,把它拴在船上.本也帮了一些忙 车床 工作. 
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金翅雀团队使用自行车零件设计了踏板驱动装置.
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雷诺数是流体力学中的一个关键参数.

螺旋桨本身, 凯莱布和萨姆改装了一个模型飞机螺旋桨,安装在他们的自行车轮毂上. “在空气中以高转速旋转的模型飞机螺旋桨实际上与在水中较慢的螺旋桨具有相似的雷诺数,凯莱布解释道, 谁对流体动力学着迷. 雷诺数(右边的公式)与流体密度有关 ρ、流速 u,动粘度 μ,特征线性尺寸 L (如螺旋桨叶片的长度). 水比空气密度更大,也更粘, 但经过人力驱动的船只螺旋桨时,较慢的水流速度可以抵消这种影响. 雷诺数常被用来预测层流(平滑流)的过渡, 没有横向混合)到紊流(混沌), 有漩涡和漩涡), 所以知道螺旋桨的雷诺数意味着凯莱布和萨姆大致知道比赛的结果.

“凭借几十年的经验,我看到过很多事情失败.——本·金

但是,不管是好是坏,理论只能帮到你这么多. 山姆回忆道:“(第二阶段)比赛在中午开始. 我们一起航行了一整天,走了很远,我们都超级兴奋.他们一进入温哥华岛和不列颠哥伦比亚省海岸之间的乔治亚海峡.C.当风速加速到30节时,现实开始了. “我先上床睡觉,凯莱布睡了28个小时. 第二天早上,我在船舷上呕吐, 凯勒因为疲惫产生了幻觉.在那个时候, 驶往凯契坎要比掉头或等待救援快得多, 所以他们继续前进. 然后在贝拉贝拉,一个远离B海岸的第一民族小镇.C.在比赛进行到一半时,他们的自由轮毂棘轮断了. 我们拿出桨板,划向码头.”

 

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赛马场的中段.

尽管有艰苦的条件和挫折, 迦勒 和 Sam made it to Ketchikan; 和 not only that, 但他们也放了13个th 在完成比赛的19支队伍中(回想一下,有32支队伍参加了第二阶段的比赛). 其他许多船只都更大、更快,包括那些被他们挤掉的船只.

比赛回顾
看看凯勒和山姆的旅程 阶段一第二阶段 种族追踪器.

当被问及他们是否还会这么做时, 两人犹豫了一下(完全可以理解), 然后回答是肯定的. 但现在,他们正在皇冠体育继续他们的学业. 迦勒, 谁喜欢流体动力学和工程学, 他说他要学物理专业, 但他也在接受文科课程,包括西班牙语和小提琴课程. 山姆对物理专业不太确定, 因为他也喜欢城市研究, 艺术历史, 和政府.

无论他们最终做什么,他们都有走得更远的动力,我们敢说,他们会掀起波澜.