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海洋教育・力的分解

遙控帆船

帆船怎麼可能逆著風走？從寶特瓶做的逆風帆船，到 ESP32 搖桿遙控、兩顆伺服馬達收放帆與轉舵的遙控帆船，讓學生用合力與分力，親手把船開向風來的方向。

看它下水讓船逆風走
遙控帆船
  • 2 節課逆風帆船，100 分鐘
  • 2 顆 ESP32一顆在搖桿，一顆在船上
  • 2 顆伺服馬達一顆收放帆，一顆轉舵
  • 1 公尺教案裡逆風渡河的距離

在水池邊遙控帆船，試試看帆要收多緊、船頭要轉多少。

下水測試

用搖桿開一艘帆船

學生做的遙控帆船在水池裡測試：電風扇負責吹風，手上的搖桿負責收帆、放帆和轉舵。

古人怎麼辦

風往這邊吹
船卻要往那邊去

先民橫渡台灣海峽，沒有引擎，只能靠風。如果風正好從目的地吹過來，船要怎麼前進？

教案從這個問題開始，要打破一個常見的迷思：船不一定要跟著風走。轉動帆的角度，就算逆風，船也能前進。

自己做的遙控帆船在水池裡航行
自己做的遙控帆船在水池裡航行
  • 帆把風轉成力風吹在帆上，產生一個大約垂直帆面的力。
  • 力可以分解這個力分成兩部分：沿著船身往前的，和往旁邊推的。
  • 龍骨擋住側向船底的龍骨不讓船往旁邊走，剩下往前的分力推著船前進。

讓船逆風走

帆要怎麼擺
船才會往前

調整船頭和風的夾角、帆張開的角度，看看帆上的力怎麼分成「前進」與「側向」兩部分。把船頭轉到正對著風，再試試看斜 45° 走。

風從上往下吹

前進的分力

側向的分力

簡化模型：風對帆的力垂直帆面，大小跟風與帆的夾角有關；沒有算船速造成的視風、帆的升力與水的阻力，數字只是比例。真實的帆船多半在側風附近最快。

逆風帆船

兩節課
從寶特瓶到渡河比賽

  1. 01

    引起動機

    沒有引擎的船

    15 世紀的船隊沒有動力設備，遇到風向跟航行方向相反時，航海員要怎麼前進？分組討論。

  2. 02

    實作

    寶特瓶帆船

    紙板剪成 10 × 10 公分當帆，黏在竹籤上，插進寶特瓶；船底用橡皮筋綁一枚十元硬幣當壓艙。

  3. 03

    探索

    找出帆的角度密碼

    看帆船原理的影片，再用厚紙板當扇子搧風，轉動帆，讓船往扇子的方向（逆風）前進。

  4. 04

    競賽

    逆風渡河

    A、B 兩地相隔 1 公尺，風一直從 B 吹向 A。從 A 出發，調整帆與船身的角度，最快抵達 B 的人獲勝；先組內初賽，再派代表決賽。

  5. 05

    分享

    怎麼調帆最快

    各組分享比賽中掌握的技巧，再一起整理帆船能逆風前進的原理。

遙控帆船

兩顆 ESP32
一個搖桿

搖桿那一顆 ESP32 讀取搖桿和按鍵，用 ESP-NOW 直接廣播短短的指令，不需要 Wi-Fi 基地台；船上的 ESP32 收到指令，轉動兩顆伺服馬達。

方向舵：中間是 90°。搖桿推著不放，每 0.1 秒轉 8°，最多轉到 45° 或 135°；按一下搖桿就回正。

帆：按鍵一次轉 10°，範圍 10° 到 90°；另外兩顆按鍵直接轉到 10° 或 110°。

程式用積木式的 BlocklyDuino 寫，學生看得懂每一塊在做什麼，也能自己改步距和角度。

  • 為什麼舵只轉 45°？ 舵轉得太大，水流會從舵面分離，轉向的效果變差、阻力反而變大。

學生會學到什麼

做完之後會知道

  • 力的分解。同一個力可以拆成兩個方向，各自產生不同的效果。
  • 合力與平衡。龍骨的阻力抵消側向分力，船才不會被吹橫走。
  • 之字形逆風。正對著風走不了，斜著走、再換邊，就能往上風前進。
  • 無線遙控。搖桿怎麼把指令送到船上，伺服馬達怎麼轉到指定角度。
  • 海洋文化。先民怎麼靠風橫渡海峽。

相簿

水池測試

  • 在水池邊用搖桿遙控測試

  • 電風扇吹風，帆船下水

想讓學生也開一艘帆船

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