人造龙卷风机的研究与实践

李尤

2017年夏天，我有幸成为第5届国际青少年科学家锦标赛（IYNT）南外初中队的一员。在几个月的科学研究学习中，我第1次与科研有了亲密接触。通过赛前准备、动手制作、比赛答辩等环节，让我对STEM科学探究有了更深刻的认识和理解。本文以我负责的第17题“Tornado machine（龙卷风机）”为例，介绍参加IYNT赛事的基本情况。

赛题——跨学科立体融合

IYNT是一个极具综合性与多样性的比赛。比赛题目类型多样，跨学科性很强，题目涉及的知识点不局限于一门学科，常常是物理、化学、生物、地理、人文、数学等不同学科的融合。

如本次赛题第15题“Water from air”中，要求制作一个能够从空气中提取出水的装置。解答赛题不仅需要考虑物理中物态变化的知识和化学中催化作用等原理，还需要用数学建模工具绘制图纸并考虑成品外观，之后还要用到通用技术的设备进行制作，涉及到的学科领域非常宽泛。

赛题第17题“Tornado machine”，要求制作一个能够产生人造龙卷风的机器，可以产生稳定的龙卷风，并且最好能够带到现场演示。这个赛题的解答不仅需要研究龙卷风产生的机理，还需要考虑怎么人为满足龙卷风产生的条件，并且用能够采购到的器材实践和研究各种变量，整个过程结合了科学（龙卷风原理的探索）、技术（各种变量的控制）、工程（龙卷风机的制作）和数学（结果的定量分析）等相关知识，综合性非常强。

再如赛题1“Good guesses”研究在一场800个农夫猜测1头牛重量的比赛中，如何得到一个相对准确的猜测。这一问题涉及到概率论、博弈论等数学知识，还涉及到人文社会等学科内容；赛题2“Time-lapse videos”要求用延时摄像研究某个缓慢变化的生物、化学或天文现象等；赛题4“Language barriers”要求研究不同地方不同语言可相互理解的有趣现象，需要结合地理、语言、人文等学科领域的知识。

每一个赛题都包含了诸多学科领域的内容，题目具有极强的多样性、综合性和开放性，它们没有固定答案，让人眼花缭乱，无从下手，每个实验课题都需要参与者自己设计实验并得出结论，体验一个具体而完整的探究过程。

答题——开脑洞步步为营

要解答IYNT这类开放性的赛题，传统课堂上那套平铺直叙的标准答案显然是不行的。必须学会科学研究的思路与精髓。通过学习，我们了解到科学探究一般包括提出问题、作出猜想、考虑参量变量、设计实验、收集数据、得出结论、误差分析等几个部分，下面就以本次比赛第17题“Tornado machine”龙卷风机为例具体说明。

分析问题，作出猜想

题目：Build a machine to produce an an-door air tornado.Investigate the properties and stability of the tornado.Is the machine portative enough to be demonstrated at a Science Fight room of the 5^thIYNT？（制造1台能产生室内龙卷风的机器，以研究龙卷风的性质和稳定性。这台机器是否足够方便携带以便在第5届IYNT比赛现场进行演示？）

拿到题目，我们先对题干进行了分析，我们标出了几个关键的词汇：property（性质）、stability（稳定性）和portative（易携带）。这些关键词给了我们一些研究方向、思路和简单构想。

因为题目明确指出要求我们建造出1台龙卷风机，而先前的理论知识又超出了我们的理解范围，于是我们决定先查找资料，了解国内外对此研究的现状，重点便放在确定龙卷风的性质上。我们通过网络、图书馆查阅了大量关于龙卷风的概念与形成机理，以及国内外关于此方面的研究现状，进行了全面的整理、归纳、概括，并组织成文字，同时根据题目的要求建模，通过一次次讨论计算，定下我们需要研究的参量与变量——切力、上升力、风速、进风量等，最后建立模型如图1所示。

考虑变量，设计实验

在真正开始实验之前，我们先在纸上绘制了机器的草稿，如图2所示。之后经过多次讨论定下实验材料的相关数据，例如龙卷风设备中玻璃板材料的长宽高、抽风机的数量、位置和进风量等。全部考虑清楚之后，再开始采购定制所需要的所有材料，例如，抽风机、鼓风机、有机玻璃板、超声波雾化器等，并进行组装和实验，图3所示为从网上采购的各种材料。

进行实验，收集数据

在搭建完龙卷风机器后，我们就开始实验。图4所示为龙卷风机器实验的图片，在实验中我们选择了多种合适的研究方法，如控制变量法、对照法等。图4从左到右依次是产生稳定的龙卷风、半稳定的龙卷风（上部区域不稳定）和不稳定的龙卷风。我们通过多次改变进风量、抽风量，以及它们影响的风速等实验变量进行对照，通过计算并测量多组数据后绘制成表格，如表1所示。

另外，为了改变抽风机的进风量，我们用硬纸板遮盖抽风机的一部分进行实验，从而模拟控制变量，以达到对比实验的效果。

误差分析，得出结论

我们计算并测量了板间距离、抽风机抽风量与风速的关系。通过定义“stability” （稳定性），认真观察实验现象和记录的数据，找出数据所反映出的共同规律，简要地得出了我们的定性定量两方面的结论：当板间距离更小、抽风量更小时，形成稳定的龙卷风所需要的时间便会更长；当风速v>0.44m/S时，能形成稳定的龙卷风；0.11 m/s

因为实验测量中的不准确及设备的不完善，实验中肯定存在一定的误差，于是我们对于实验和理论中不尽如人意、还可以有提升空間之处进行了提及与试图修正，例如希望能够改变板间距的宽度，希望能用更精确的方法测量风速，希望能用更准确的手段改变进风量与抽风量等。

整理报告，准备演讲

光闷头做实验还不行，我们还需要系统分析自己的研究结果，同时理清思路把自己的最终成果清晰地展示出来。由于比赛要求，我们需要对每道题作8分钟的汇报演讲。既要让汇报完整清晰，又要简洁易懂，那么这个时候就考验我们的条理与思路了。所以，比赛前，我们再次完整地回顾整个课题，从题目分析、理论分析，到实验的设计与推进，最后是结论与误差分析，把整个过程清晰地呈现在我们汇报的幻灯片上，同时还模拟对手针对课题可能提出的疑问并进行模拟解答，为最终的比赛作好一切准备。

比赛——拼实力唇枪舌剑

在紧张的准备之后，终于迎来了比赛的日子。

在确定赛题后，首先是正方陈述环节。在呈现自己汇报成果的时候，如何与台下裁判、观众交流，如何与对手交流都有一番技巧。比如语速要适中，才能让大家听得清晰却又不冗长无力；在汇报中，多用图或表格展现实验数据，才能更加形象地表明实验结果；同时，我们还展示了真正的实验设备与成果，让人信服。8分钟的陈述，我信心满满，从理论到实验，从制作到演示，充分展示了前期准备成果，效果不错。

緊接着是对方的提问环节。对方开始狂轰滥炸，一堆“炮弹”向我飞来。其中典型的2个问题是：①在实验中给出了不同风速的结果，那么是如何测定风速的？②龙卷风外沿和内沿有什么区别？

经过短暂准备后进入辩论环节。对于第1个问题，我早有准备。因为条件限制，没有准确测量风速的风速计。但是，我们根据排风扇给出的性能参数，可以计算出每分钟排风扇会抽走多少立方米的空气，再用它除以龙卷风机器四周缝隙的横截面积，就可以估算出空气流入的速度，也即估算出风速了。对于第2个问题，一开始还是有点发懵。在仔细思考之后，这个问题也不难。根据理论知识，在一定条件下速度环量u与半径r成正比，因此外沿的风速显然大于内沿的风速，问题就有了较好的答案。

在评委提问环节，评委的问题通常直击要害。有评委提出：“龙卷风稳定的标准是什么？怎么判断龙卷风是否稳定？”这个问题确实有点难，可以说打得人措手不及。我深吸一口长气，告诉自己一定要冷静。龙卷风稳定的标准确实不好定量分析，但是根据长时间观察，能否形成稳定的气旋是关键。最后根据现场演示和录像解读，基本上算是给了一个勉强答复吧。这个问题也体现出我们还没有考虑周全并且对某方面知识还有遗漏。

终于到了各方总结陈词的环节，我也松了一口气。比赛的过程紧张而有序，对我们每一个人不止是知识上的挑战，更是参赛时心态的考验。

结语

通过这次比赛，首先提升了我搜集分析文献资料的能力。借助图书馆、网络等工具查阅课题研究领域的大量文献资料，从中了解课题的研究现状、研究前沿及研究热点，学习研究思路，掌握研究方法，为课题的开展和顺利进行奠定坚实的基础。其次，我学会了开展科学研究的基本方法。对提出问题、作出猜想、设计实验、收集数据、得出结论、误差分析等基本的科学研究方法有了更深层次的了解与认识，学会了在基本方法上利用有限的工具材料，使用切实可行的方法进行高效率的探究。再次，还增强了我们团队分工协作的合作精神。最初分配题目时，每个人都分到三四个题目的研究内容，虽然每人的课题不近相似，但我们在做好自己课题研究的同时，也关注队友的课题，讨论会上大家积极建言献策，相互启发。我们6个人在赛场上互相鼓励，互相配合，偶尔插科打诨也让这几个月的辛勤准备和紧张比赛充满了乐趣，我深深地为这样一个优秀队伍感到骄傲和自豪。