秋千

【活动目标】

1、认识生活中的各种各样的秋千。
2、学会利用三角形的稳定性和四边形的易变形性。
3、参与搭秋千的过程，培养动手能力和科学思维能力。

【活动引入】

秋千是一种运动器具，或者是游戏用具，我们在公园，学校或者社区都能见到。小朋友坐在座椅上，由他人推动或者自己的脚用力，人随着座椅来回摆动。

小明和小红喜欢玩秋千，但是他们的秋千太旧了很不好用。小明和小红需要一个更好的有结实座位的秋千，这样他们就不会掉下来了。你能帮助小明和小红搭建一个新的秋千吗？

一、秋千的起源

说起秋千的起源，可追潮到几十万年前的上古时代。

那时，我们的祖先为了谋生，需要上树采摘野果或猎取野兽。在攀缘和奔跑中，他们往往抓住粗壮的蔓生植物，依靠藤条的摇荡摆动，上树或跨越沟涧，这应该是秋千最原始的雏形。

春秋时期，我国北方有了将绳索悬挂于木架下，下面装上踏板的秋千。《艺文类聚》中就有 “北方山戎，寒食日用秋千为戏” 的记载。当时为了保证拴秋千绳索的结实，通常多以兽皮制成，故秋千两字繁写均以 “革” 字为偏旁。

如今在公园、社区处处可见秋千，认真观察秋千会发现，一般来说秋千的支架两边都是由三角形构成的，如下图所示。

二、为什么秋千的支架都是三角形的呢?

实验证明：三角形结构很稳定，不会形变，而四边形结构在一定力量的挤压下会发生形变：根据三角形和四边形的特性，想一想生活中哪些地方应用到了三角形和四边形呢？

金字塔，房子，吊车等需要稳定的结构中，用到了三角形；而在拉伸门等需要变形的结构中，则用到了四边形。

【活动准备】

本次所用零件：

底片	轴	销	梁	连接器	轴套
2*8蓝色底片【4】	8轴【2】	蓝色长销【2】	1*16蓝色镶嵌梁【2】	带两个交叉孔的角块【2】	黄色半轴套【2】
	12轴【1】	黑色摩擦销【12】	蓝色“L”型角梁【2】	带一个交叉孔的角块【2】	灰色轴套【4】
			1*8蓝色镶嵌梁【2】
			1*6蓝色镶嵌梁【3】
			1*12蓝色镶嵌梁【2】

【活动过程】

步骤图

秋千通常由支架和座椅组成，我们也按照这样的组成来制作秋千。

制作秋千的支架，这需要两个稳定的三角形结构。
支架又要先从底座开始制作。
支架完成后，就可以和座椅组合成秋千了。

graph TB 拼出底座-->拼出支架拼出支架-->组合成秋千拼出座椅-->组合成秋千

第一步

将材料拼成一个大小足够大的底座。

使用的材料有：1* 12蓝色镶嵌梁2个；2* 8蓝色底片4个。

第二步

将材料拼成两个高度一致且适合的支架。

使用的材料有：蓝色“L”形角梁2个；1* 8蓝色镶嵌梁2个；1* 16蓝色镶嵌梁2个；黑色摩擦销10个。

注意：
	1.支架间要留出足够的空间可以放下秋千座椅。
	2.想办法使支架更牢固。

第三步

将材料拼成一个稳固且可以活动的座椅。

使用的材料有：1* 6蓝色镶嵌梁；蓝色长销2个；黑色摩擦销2个；8轴2个；12轴1个；灰色轴套2个；黄色半轴套2个；带两个交叉孔的角块2个；带一个交叉孔的角块2个。

注意：座椅的大小要能放入前一步拼出来的支架中。

第四步

将底座、支架和座椅组合起来，组合好后我们的秋千就完成啦！

使用的材料有：灰色轴套2个。

【问题思考】

一. 提出问题

1、什么样的底座才能让秋千稳定？
2、要搭建什么形状的支架？

二. 问题回答

1、地面接触面积大，重心低，重心垂线经过接触面会稳定。秋千高度不变的情况下，底座越大秋千的重心越低，秋千就越稳定，所以底座要够大且支架不能太高。
2、如前所述：三角形稳定，四边形易变形。支架使用三角形样式可以更加稳定。

【科学知识】

稳定性分析

每个物体都是由简单的图形构成的，也就是说物体的每个面都是由圆，三角形，四边形和多边形构成的。

三角形有着稳固、耐压的特点。三角形框架、起重机、三角形吊臂、屋顶、钢架桥中都有三角形的身影。

三角形稳定性分析：任取三角形两条边，在两条边角度不变的情况下，在两条边的非公共端点连接第三条边。

因为第三条边不可伸缩或弯折，所以两端点距离固定。按照相同的方式任取两条边都符合上述情况。所以三角形固定，具有稳定性。

一个结构是否稳定，除了考虑结构外，还要考虑放置的位置和物体的重心。总体来说要符合以下原则：
	1. 与地面接触面积越大，物体越稳。
	2. 重心越低，物体越稳。
	3. 通过重心作竖直向下的直线与地面的交点，如果在接触面上，则物体较稳：如果在接触面外，物体不稳。

能量转化

一切物质都且有能量，能量以多种不同的形式存在：按照物质的不同运动形式分类，能量可分为机械能、化学能、热能、电能、辐射能、核能、光能、潮汐能等。这些不同形式的能量之间可以通过物理效应或化学反应而相互转化。

秋千中涉及的能量转化是动能和势能之间的转化。

动能是物体在运动时具有的能。

势能包括重力势能和弹性势能。重力势能是物体由于被举高而产生的能量。弹性势能是物体由于弹性形变而产生的能量。

机械能是动能和势能的总和，两者之间的转化关系：当物体下落时，高度越小，那么它的重力势能就越来越小但是物体的速度会越来越快，动能也就越来越大。如果不考虑空气阻力的话，机械能是不变的，重力势能减小的部分都变成了动能。

在荡秋千时，从最低点到最高点的过程中，速度越来越小，而高度越来越大，这时动能转化为重力势能；当到达最高点时，速度为零，动能为零，全部动能转化为重力势能。从最高点下降到最低点的过程中，速度越来越大，而高度越来越小，这时重力势能转化为动能，到达最低点时，速度最大，动能最大，重力势能最小。

荡秋千时的能量变化如下所示。

高度：最低点一> 最高点一> 最低点

速度：速度最大一> 速度为零一> 速度最大

能量：动能最大一> 势能最大一> 动能最大

	能量守恒：能量不会凭空消失，也不会凭空产生，它只会从一种形式转化为其他形式，或者从一个物体转移到另一个物体，而在转化和转移的过程中，能最的总和保持不变。

单摆

玩秋千的时候我们可能会发现秋千摆动的幅度越来越小，但摆动一周的时间却没有跟着变短，时间始终是差不多的，这是为什么呢？

因为秋千是一个近似的单摆运动（单摆是摆动角度小于100的小幅度摆动），单摆运动的周期 T 和摆动的幅度以及小朋友的重量无关，而只与单摆的摆长L （秋千绳索的长度）和重力加速度 g 有关（如果只是在地球上进行单摆运动的话，可以认为 g 也是一个常量）。

单摆周期公式： $$ T=2\pi\sqrt{L\over g} $$

现在人们公认是伽利略发现了单摆的等时性原理。伽利略在比萨教堂里注意到一盏悬灯的摆动，随后用线悬铜球作模拟（单摆）实验，确证了微小摆动的等时性以及摆长对周期的影响，由此创造出脉搏计用来测量短时间间隔。尽管在伽利略之前的好几个世纪中，等时性早已为阿拉伯人所熟知，但以科学的态度去研究这一现象的科学家还是首推伽利略。虽然伽利略在 1602 年注意到单摆运动的等时，不过他误认为大摆动的条件下等时性也是成立的。而最早系统地研究单摆的是惠更斯，并且他使用无穷小的几何方法推导出了钟摆的周期公式。

【举一反三】

1、怎样使秋千的底座变大呢？
2、怎样才能让秋千自己动呢？

秋千