青少年科技创新示范案例

鞋子的防滑猜想一、摘要由一次偶然的滑到，想到了鞋子的防滑优化猜想，花纹比较复杂点的鞋子比较防滑，但是什么样子的纹理结构的花纹比较防滑，提出猜想，设计实验步骤，进行试验，采集数据，然后根据花纹和数据进行对比、分析，得到防滑的优化方案，在一定程度上为人们的人身安全提供参考建议。二、关键字花纹、纹理、防滑，实验三、前言一次意外的鞋子光滑，导致的摔倒时间，使我考虑到什么样子的鞋子比较防滑呢？查阅了相关的资料后，发现鞋子是否防滑，在一定程度上和鞋鞋子底部的花纹关系比较大，对此提出了疑问：什么样的花纹比较防滑呢，对子我决定先从简单的原理进行试验，从而推导出应该什么样子的花纹能防滑？为什么可以防滑？这些结论，使自己以后可以选择比较防滑的鞋子，保护自己，同时也提供给大家参考，在一定程度上为他人的人身安全也提供一点点的提供参考建议。四、研究方法研究对象：按照自己的猜想制作的鞋子的模型实验器材：鞋子模型，30°的光滑小坡，水磨石的光滑地面，天平，笔、记录用的纸、尺子，水平测量仪。试验方法：让模型在小坡上滑行，滑行到水磨石的光滑地面，停止后记录滑行的距离，通过讨论，对比分析，数学计算来得到摩擦因数。既然是考虑到防滑，就要考虑到摩擦力，和摩擦力有关的条件是压力和摩擦因数，一个人可以穿不同花纹的鞋子，所以压力是不变的，为了保证压力在做实验的时候保持不变，所以在制作模型的时候要用到天平，用天平保证不同花纹的鞋子的模型的质量是同样的，质量一样同时也就保证了压力是一样的，其次摩擦因数和材质以及接触面的粗糙程度有关系，所以在制作模型的时候首先考虑到模型的底面积一样，然后就粗糙程度选择不同的花纹，从简单的原理做起，所以假象的纹理有3个，1个是横条的花纹、1个是竖条的花纹，另外一个是“人字形”的花纹，最后是为了保证鞋子每次向前滑行的力是一样的，这个比较难，查阅相关资料，经老师知道，决定利用高中物理的能量守恒定律来解决这个问题，做一个理想环境下的斜坡，让模型从固定的斜坡上滑下来，保证每次试验时，鞋子受力相同，从而减小实验的误差，为了创造理想环境，我在斜坡上撒上了谁，保证每一个地方都有水痕，人后在室外环境下（室外温度零下3度）上冻，在做实验的时候用小铁板擦几下，保证是光滑的，从而可以看为理想环境。同样为了减小误差，我决定每种花纹的模型进行多次实验，取其平均值，减小误差，其次每一次滑行试验后都用干布轻轻擦拭模型底面，一方面保证模型不应为沾水而增加光滑度而导致实验失败，另一方面保证底面不会因为沾上水滴而增大模型的质量，从而改变压力，轻轻的擦拭同时也保证模型花纹不会变形。五、实验结果纹理1试验次数123456滑行距离21.3cm21.5cm21.2cm21.6cm21.1cm21.5cm表1-1理想效果示意图实物示意图纹理2试验次数123456滑行距离27.9cm28cm28.3cm28.1cm28.4cm28.6cm表1-2理想效果示意图实物示意图纹理3试验次数123456滑行距离14.5cm13.9cm14.2cm14.4cm14.2cm14.1cm表1-3理想效果示意图实物示意图六、讨论以下均为在理想状态下的实验讨论首先要理解实验原理，在理想状态下，斜坡的长度为50cm，与地面的夹角为30度，地面是水平的（水平测量仪测得），所有的环境均为贴近理想环境，让模型从斜坡上滑行下来，势能转换为动能，由于斜坡时一定的，所以在相同的位置模型的势能为W，在模型滑下斜坡的瞬间，势能也是相同的，滑下后势能转化为动能，模型在水平方向上的能量三种纹理都是一样的（斜坡为非常光滑的），动能给予模型一个在水平方向上向前的力N，质量一样，那么向前的力也就是一样的，然后，水磨石虽然光滑，但是模型还是受到一个向后的摩擦力f，花纹的不同导致了每种纹理的摩擦因数的不同（纹理导致的模型与接触面的面积的差异可以忽略不计），这些因素的影响最后导致了模型在水磨石地面停止了下来，基本原理是这个样子的。首相需要计算势能，W势能=FS，其中F为向上的力，F=mg，m为模型的质量，一定的，都为100克，g为重力常数是一个测量常数暂定位10。S是距离，鉴于斜坡与水平地面的夹角为30度，斜坡的长度为20cm，根据勾股定理L斜边2=L直角边12+L直角边22，所以距离S通过计算得到位10cm，那么，模型在最高处的势能为W势能=FS=mgS=0.1*10*0.1,而摩擦力只与压力与受力面积有关，在理想环境下，水平地面（水平测量仪测量），压力与质量的关系为F=mg，m为质量是固定的100g，g不变，受力面积不变，所以三种材质下摩擦力是固定的。摩擦力计算公式f=μN，其中μ是动摩擦因数(就是接触面粗糙程度)。根据能量守恒定律；能量既不会凭空产生，也不会凭空消失，它只能从一种形式转化为别的形式，或者从一个物体转移到别的物体，在转化或转移的过程中其总量不变。可以得到动能W1=FS，W2=mgh，W1=W2,所以mgh=FS=μNS,转换得到mgh=μNsS，其中N=mg,所以mgh=μmgS,推理分析后得到h=μS，其中μ为摩擦因数，h为高度，S为长度。六次试验取平均值，h纹理1=21.37cm（取小数点后两位有效单位），h纹理2=28.22cm，h纹理3=14.22cm，那么：μ纹理1=h/s=0.47：μ纹理2=h/s=0.35：μ纹理3=h/s=0.70，μ纹理3＞μ纹理1＞μ纹理2，由此可以推断横条纹理在一定程度上比竖条纹理防滑，而“人字形”纹理在一定程度上比横条纹理增加了条纹的长度，从而道理μ纹理3＞μ纹理1按照这种推理，又设计了纹理4“又字形”进行试验，得到实验结果纹理4试验次数123456滑行距离11.2cm11.4cm11.5cm11cm11.4cm11.3cm理想效果示意图实物示意图μ纹理4=h/s=0.885＞μ纹理3七、结论同样的材质，同样属性的纹理结构，纹理的长度越长，防滑度就越高，同样的材质的条件下，横条纹比竖条纹防滑，斜条纹比横条纹防滑，网状条纹比斜条纹防滑。所以建议为了您的人身安全，在购买鞋子的时候，考虑防滑问题的话，同样材质、同样价格的前提下，同样属性的纹理结构，纹理的长度越长，防滑度就越高；不同属性纹理，横条纹比竖条纹防滑，斜条纹比横条纹防滑，网状条纹比斜条纹防滑。八、致谢1、张波涛老师提供实验理论指导2、张忠霞老师提供数据模型、分析、整理方面的帮助，以及论文眷写方面的指导九、参考文献