國立台中教育大學 NTCU

科學教育與應用學系

科學遊戲實驗室   回首頁   

空中騎士

飛行距離超過50公尺的趣味玩具

器材:寶特瓶、絕緣膠帶(電火布)
操作步驟與現象:

  本網站曾介紹過以特瓶瓶身以及膠帶製作的「飛行高手」,飛行距離大約都在20公尺以內,後來版主購自美國相同玩具X-Zylo(如圖一),經過實際試驗,飛行距離可以輕易超過50公尺,最遠可以達到約70公尺(足球場的寬度),效果相當不錯,能引起學生的驚訝與興趣。

  為了重現X-Zylo的飛行效果,實際測量X-Zylo的尺寸,數據如下:直徑:9.6公分;重量:22.8公克;高度(波浪狀):波鋒高6.0公分、波谷高:4.8公分。考慮在教室實施教學時的方便,而且經過實際試驗,波浪形與平面形的差異並不大,因此高度以平均高度5.4公分計算,製作為圖二的樣式。

  另一方面,為了製作的方便,還是採用特瓶瓶身來製作。但是在市面買得到的特瓶飲料,瓶身直徑沒有剛好為9.6公分,因此按照比例決定重量,亦即以纏繞絕緣膠帶(俗稱電火布)的多寡來調整重量。經過多次實作測驗,效果最好的結果如下:

1.取容量一公升的特瓶飲料(直徑為8.7公分),形狀必須為圓筒型,瓶身不可為曲線瓶或是有凹凸。

2.特瓶瓶身畫二條平行線,距離(寬度)為4.9公分,小心的裁剪下來,即成為X-Zylo的本體。

3.在上一步驟X-Zylo本體的一端,纏繞絕緣膠帶,黏貼的絕緣膠帶共纏繞21~24圈,完成後總重量約為20.5公克。纏繞時注意不要太用力拉扯絕緣膠帶,亦即輕輕的黏貼絕緣膠帶即可,完成後再將絕緣膠帶壓緊。因為絕緣膠帶具有彈性,用力拉扯再黏貼,會造成黏貼之後絕緣膠帶收縮,特瓶瓶身會被壓縮而變形。

4.如果取得的特瓶不是直徑8.7公分,建議比例如下(單位為公分、公克)直徑:高度:重量=1:0.56:2.35。

玩法:

  丟擲X-Zylo需要技巧,首先握著X-Zylo如圖三,如同拿橄欖球一樣往前丟(絕緣膠帶的部分在前)。在丟擲出去時,必須讓X-Zylo旋轉,如圖四。要使X-Zylo旋轉,主要是利用食指到么指的四個手指頭的摩擦力,旋轉越快速,X-Zylo的飛行效果越好。

  如果飛行過程X-Zylo會往下急墜,通常是因為太重,可以將纏繞的絕緣膠帶再撕掉一些。如果X-Zylo會往上飛揚,則為太輕,再多纏繞幾圈絕緣膠帶。請注意:通常效果最好的情形是:X-Zylo會有點往上飛(不是急速上揚),因此需要將X-Zylo往前丟擲(幾乎與地面平行),不能往上丟擲。

  有另一種採用鋁罐金屬製作的玩具,稱為「Toobee」,結構與玩法都一樣,不過自行製作比較容易被鋁罐割傷,而且飛行效果(距離)比不上X-Zylo,因此還是以特瓶製作較為理想。

觀看實驗影片(1.7M)

原理:

  X-Zylo又被稱為「空中騎士(air rider)」或「飛行陀螺(flying gyroscope)」。X-Zylo是柏克萊大學研究生Mark Forti於1991年發明,在1992年由William Mark 公司精緻化後在玩具市場販售,立即獲得大眾的喜愛與迴響。麻省理工學院曾經實際測試X-Zylo的飛行距離,非官方的世界紀錄達到655英呎(約二百公尺)。

  Tarr(2012)推論其可能的原理包括了陀螺效應(gyroscopic effect)以及機翼升力(flat plate lift)的現象。陀螺效應使得X-Zylo因為旋轉而保持穩定,而纏繞絕緣膠帶所形成的厚度,如同飛機機翼的效果而有升力。但是由於X-Zylo的飛行原理頗為複雜,Tarr(2012)指出目前對於X-Zylo的詳細原理,包括NASA科學家以及專業的科學家,還沒有一定的共識。

叮嚀的話:

1.丟擲X-Zylo的力道會影響飛行距離,男生力氣較大,幾乎都比女生丟得遠,換言之,不會丟棒球或橄欖球,就很難讓X-Zylo飛行得遠。而風向也是影響因素,順風比逆風飛行的更遠。另一方面,如果X-Zylo製作得不夠對稱均勻,則不容易保持筆直飛行而會彎曲。

2. William Mark公司另有設計「發射器」,不必用手丟擲,國內目前沒有販售。但是其飛行距離仍比不上直接用手丟擲,因此建議不必購買或製作。

3.版主試過以其他材質製作,例如塑膠片、紙片,但是仍然以寶特瓶的效果最好,製作也最為簡便。而透明膠帶通常較輕薄,要達到應有的重量需要纏繞更多圈,因此建議還是使用絕緣膠帶。

4.在教學上,建議可以指導學生進行以下活動:(1)改變各種變因,例如大小不同(直徑與高度)的寶特瓶、不同絕緣膠帶圈數、旋轉快慢等等,觀察並記錄對於X-Zylo的飛行距離的影響為何?(2)製作完成後,比賽擲遠或是擲準,看誰的飛行距離最遠或是準度最好?(3)除了一個人玩,也可兩人一組,如同玩飛盤一樣你丟我接。

參考資料:

1.William Mark公司:http://www.x-zylo.com/

2.You tube影片:(1) http://www.youtube.com/watch?v=9U3xFu0MIdo (X-zylo);(2) http://www.youtube.com/watch?v=LAy8e2ixOGw (Toobee)

3. Hunchhttp://hunch.com/item/hn_4130094/x-zylo-flying-gyroscope-toy/

4. Tarr, D. L. (2012).What makes the amazing X-zylo fly? Washington: Columbia-Capstone.

5.科學玩具柑仔店:http://kingdarling.blogspot.tw/2012/12/x-zylo-ultra.html