循环式电磁阻尼安全速降装置

◆长沙市长郡芙蓉中学 伍泽航 邓诗宇

高楼火灾发生时，如何让被困者安全、快速、有效地自救和逃生？我们想设计一种不需要使用电源就能方便自救及互救的逃生装置。

我们了解到，强力磁铁在铜管或铝管内运动时，管壁会产生涡流电，涡流电产生电磁阻尼。利用这种原理再配合滑轮组增加承重，减缓下降速度，就可以设计一种不需要电源，适用于高楼逃生、游乐园或景区体验、深井救援的循环式电磁阻尼安全速降装置。

一、实验与分析

1.不同材质的管壁对磁铁运动状态的影响

让一块直径为3cm、厚0.5cm 的强磁力钕磁分别在长1m、直径为5cm 的塑料管、铝管、铜管内自由落体，记录每次下降的时间，重复实验20 次（磁铁会吸附在铁管壁上，因此铁管不适合本项目）。根据自由落体运动公式算出，强磁力的钕磁下降1m 所需的时间是0.452s。

分析上述实验结果可知：磁铁在铜管内下降时产生的电磁阻力更大，所以本装置优选的管材应是铜管。

2.磁铁数量对磁铁在铜管内运动状态的影响

将不同数量的磁铁（每块磁铁的直径为3cm、厚0.5cm）吸在一起，使其在长1m、直径为5cm 的铜管内自由落体，记录每次下降的时间，重复实验20 次。实验结果表明，随着磁铁数量的增加，磁铁在铜管内下降时所受的电磁阻力越大。

因此，增加磁铁的数量即可获得较大的下降阻力。

3.多块磁铁不同间距对磁铁在铜管内运动状态的影响

将三块强磁力的钕磁（直径为3cm、厚0.5cm）按照磁铁间距为0cm（即自然吸住）、1cm、2cm、3cm 吸住（磁铁与磁铁之间分别夹相应厚度的泡沫块，如图1），使其在长1m、直径为5cm 的铜管内自由落体，记录每次下降的时间，重复实验20 次。

图1 多块磁铁不同间距对磁铁在铜管内运动状态的影响

实验结果表明，多块磁铁磁极相同时，相互吸住构成一个较大的圆柱磁体，产生的电磁阻力与多块磁铁之间有一定距离产生的电磁阻力无明显差异。从理论上分析，在磁铁之间保持一定距离、成为各自独立的磁体时，仍可将其看成一个磁体。

4.多块磁铁不同摆放方向对磁铁在铜管内运动状态的影响

将三块强磁力的钕磁（直径3cm、厚度0.5cm）按磁极方向相反，磁铁之间分别相距1cm、2cm、3cm 捆绑（磁铁与磁铁之间分别夹相应厚度泡沫块，如图2），使其在长1m、直径为5cm 的铜管内自由落体，记录每次下降的时间，重复实验20 次。

图2 多块磁铁不同摆放方向对磁铁在铜管内运动状态的影响

分析实验结果可知，当磁铁的磁极方向相反时，磁铁之间的距离对磁铁在铜管中受到的电磁阻力的大小有一定的影响。本实验中，在磁体的大小、厚度和磁力强度不变的情况下，间距为2cm 时电磁阻力最大。

5.磁铁大小对磁铁在铜管内阻力的影响

先用弹簧秤测两种磁铁（A 磁铁23 克/块，B 磁铁250 克/块），记录弹簧秤的示数。再将不同数量与不同型号的磁铁分别用细尼龙线系在弹簧秤的挂钩上，保持细尼龙线的长度为1m，用弹簧秤分别牵拉磁铁在长1m、直径为5cm 的铜管内匀速上升，记录弹簧秤的示数。测得的数据如表1。

表1

分析上表实验数据可知，每块磁铁在铜管中运动能产生的最大电磁阻力与其自重相当。

二、方案设计与分析

将钕磁按磁极方向相反的方式安装在链条上，连接通过两端的链轮，使其两边分别穿过铜管。多块钕磁在两根铜管中循环运动时，产生涡流电形成阻力。当连接环上的承重在一定范围时，装置可做匀速运动。配合滑轮组增加三倍或五倍承重，并减缓三倍或五倍下降的速度。

根据上述实验，如果要让承载200kg 的速降装置带人安全速降，则磁铁应重达20kg（滑轮组五倍速）至35kg（滑轮组三倍速）。利用两组滑轮交替往复，可达到高效速降的要求。

此外，我们还安装了一个限速制动装置，控制装置的降落速度不超过2m/s。若降落的速度超过2m/s，限速制动器被触发制动降速，同时发出“滴滴”的报警声，增加速降的安全系数。限速制动装置的结构如图3。

图3 限速制动装置结构图

三、制作过程

将32 块钕磁（直径5cm、厚度2cm）按照磁极方向相反的方式、磁铁之间的间距为3cm（此种类型的磁铁间距为3cm 时产生的电磁阻力最大）安装在链条上，通过支架穿过两根并排的铜管，让磁铁在铜管内进行循环运动。

支架上端链轮两边设置有钢索盘，其中一个钢索盘与链轮进行钢性连接，另一个钢索盘与链轮之间通过一个离合器进行连接，使钢索盘可与链轮分离（第一个人从钢索盘与链轮进行钢性连接的一侧速降时，该侧钢索盘不随链轮转动），也可与链轮进行咬合（待第一个人从钢索盘与链轮进行钢性连接的一侧速降到地面后，将离合器咬合，便可实现两侧往复式交替速降，即一侧有人速降，另一侧的钢索自动向上回收），两边的钢索分别通过左、右两侧滑轮组与连接环连接。

将限速制动装置的感应线圈（200 圈）固定在一根铜管的上方，两个发电线圈（500圈和700 圈）固定在两根铜管的下方，将限速制动盘固定在钢索轮上，控制盒安装在同侧支架上方。最后，用限速控制电路将发电线圈、感应线圈、桥式整流模块、稳压模块、储电模块、双联低电平继电器模块、三极管等与控制器连接。装置模型如图4。

图4 循环式电磁阻尼安全速降装置模型

四、模型测试

当装置一侧的连接环承重在10kg 至20kg 时，一侧会匀速下降，另一侧匀速上升，速度约为0.175m/s。人从高处落下，速度不超过2m/s 时，不会受伤。当连接环承重超过30kg 时，会加速下降，当下降速度超过2m/s 时，会触发限速制动装置制动降速，保证安全速降。由此可知，此装置能让人从高处安全地速降。

图5 模型测试

五、创新点

1.本装置能在没有外接电源的情况下，利用强磁铁在铜管中循环运动持续产生涡流电对其产生持续阻力的电磁阻尼原理，配合滑轮组增加承重，减缓下降速度，并能在限速制动器的控制下确保安全速降，实现循环往复使用。

2.本项目通过实验获取了相关数据，为装置制作提供参数，确保装置能达到安全速降的目的，保证了救援、逃生时的安全性。

3.本项目还适用于井下救援，并为游乐场、景区等进行高空体验活动提供参考。

专家点评

这项发明作品的出现让我感到十分欣慰。

其一，两位初中生学习了电与磁的相关知识后，主动将其运用到自己的发明中，用“求别解”的发明方法，使发生高楼火灾时，人们快速、安全、有效地自救有了新的解决方式，体现了他们将知识应用于生产、生活——“知行合一”的实践精神。

其二，两位同学仅凭初中的电与磁知识，要完成这项作品显然是不够的，他们需要通过学习获取更多的知识，充分展示了两位同学敢于“跳起来摘桃子”的进取精神。

其三，这个项目从发现问题、分析问题到设计与制作，再到验证与改进，经过了很长的时间，力争用事实与数据说话，这种实事求是的科学态度值得称道。

其四，两位辅导老师具有教育情怀、落实在培育科创人才幼苗根本任务之上的专业性指导，既科学又实用，值得推崇！