6.聽話螺旋槳

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※實作現象

　　　將鋁線以螺旋的方式纏繞在竹筷上，用小紙片當作螺旋槳（以美式圖釘固定在竹筷頂端），如圖1。以另一枝竹筷來回摩擦竹筷上的鋁線，如圖2，可以讓螺旋槳快速的旋轉喔！如果經過練習，還可以控制螺旋槳向左旋轉（逆時針）或向右旋轉（順時針），相當有趣。

   

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※原理：

本實驗是源自阿帕拉契山（Appalachian mountains）具有百年歷史的古老玩具，原名為gee-haw whammy diddle，意為「左、右隨意轉」，玩的時候喊一下：gee（向右轉）或 haw（向左轉），螺旋槳會聽話的依特定方向旋轉。此玩具的其他的名稱包括：Ouija Windmill、Hooey Stick或VooDoo Stick。原始玩具是將木條或筷子挖數個凹槽（如圖3），再用另一根竹筷在凹槽上摩擦。挖凹槽的方式比較費時費力，本實驗改為以鋁線纏繞竹筷的方式製作，更為方便省力。

螺旋槳會旋轉的原因為：上方筷子的摩擦除了造成上下的震動（垂直震動），也包括前後震動（水平震動）。垂直與水平二種震動並不平均，使得筷子中心點的圖釘成為橢圓形軌跡的振盪，進而帶動螺旋槳轉動（如圖4）。此現象如同玩呼拉圈時，身體（圖釘）的旋轉，會帶動呼拉圈（螺旋槳中心的洞）旋轉的道理一樣。

由於影響螺旋槳「旋轉方向」的因素較為複雜，不容易操控，因此本實驗著重在探究不同變因影響螺旋槳「旋轉圈數」的差異性。

 
※探究問題

本實作主要在探究螺旋槳的「旋轉圈數」，探究問題建議如下：

（一）、探究問題1：鋁線的粗細不同，螺旋槳旋轉的圈數有何差別？

假說：鋁線越粗，螺旋槳旋轉的圈數越多。

理由：鋁線越粗，產生振動的幅度越大，因此螺旋槳旋轉的圈數會越多。

（二）、探究問題2：螺距（鋁線的間距）的大小不同，螺旋槳旋轉的圈數有何差別？

假說：螺距越小，螺旋槳旋轉的圈數越多。

理由：螺距越小，產生振動的次數越多，因此螺旋槳旋轉的圈數會越多。

（三）、探究問題3：螺旋槳的孔徑不同，螺旋槳旋轉的圈數有何差別？

假說：螺旋槳的孔徑越大，螺旋槳旋轉的圈數越多。

理由：螺旋槳的孔徑越大，螺旋槳越容易轉動，因此螺旋槳旋轉的圈數會越多。

※實驗設計

1.以簽字筆在竹筷上劃間格8mm的記號（如圖5），共12個間隔（螺距），再將鋁線纏繞在竹筷上的記號，注意以螺旋狀的方式纏繞（如圖6），避免成為水平狀。最後將鋁線的頭尾以膠帶黏貼固定以避免鋁線滑動。注意：纏繞鋁線時要用力將鋁線緊貼在竹筷上，避免鋁線凹凸不平。

 

2.剪一片長2.5cm、寬1cm的西卡紙紙片，並量出中心點（對角線的交叉點）。

3.以圖釘在紙片中心點穿洞，再用不同大小的螺絲起子把洞穿大為不同直徑（如圖7），以備實驗使用。

 

4.用美式圖釘將穿洞的紙片釘在竹筷的頭部當做為螺旋槳（要用力釘牢），拿另一根竹筷在纏繞鋁線的竹筷上往前或往後摩擦（如圖8），螺旋槳就會開始快速的旋轉了。

5.實驗時，二隻筷子的夾角固定為互相垂直，而摩擦的頻率利用節拍器控制，例如160次/分鐘。每次往前或往後摩擦3次，紀錄螺旋槳一共旋轉幾圈。由於旋轉速度快，肉眼不易計算旋轉的圈數，可用手機或相機高速攝影，再慢速播放計算旋轉圈數（螺旋槳上畫記號，以方便記數）。

※實驗結果：

以下三個探究問題，實驗時的相同條件（相同控制變因）如下：鋁線纏繞筷子共10cm長、筷子夾角90°、摩擦頻率160次/分鐘、螺旋槳長2.5cm寬1cm以及摩擦的次數共3次。

（一）、探究問題1：鋁線的粗細不同，螺旋槳旋轉的圈數有何差別？

操縱變因：鋁線的粗細（1mm、2mm）、摩擦方向（往前、往後）

應變變因：螺旋槳旋轉的圈數

控制變因：鋁線螺距8mm、螺旋槳的孔徑2mm

 

本實驗使用的不同粗細的鋁線，如圖9。由實驗結果發現，不論往前或往後摩擦，螺旋槳旋轉的圈數都是鋁線直徑2mm＞直徑1mm，差異達到約2倍，顯示鋁線較粗的螺旋槳旋轉圈數較多。因此研究假說「鋁線越粗，螺旋槳旋轉的圈數越多」的說法成立

（二）、探究問題2：螺距的大小不同，螺旋槳旋轉的圈數有何差別？

操縱變因：螺距的大小（8mm、16mm）、摩擦方向（往前、往後）

應變變因：螺旋槳旋轉的圈數

控制變因：鋁線粗細2mm、螺旋槳的孔徑2mm

 

本實驗使用的不同螺距大小的鋁線，如圖10。由實驗結果發現，不論往前或往後摩擦，螺旋槳旋轉的圈數都是螺距8mm＞16mm，差異也是大約2倍之多，顯示螺距較小的螺旋槳旋轉圈數比較多。因此研究假說「螺距越小，螺旋槳旋轉的圈數越多」可以成立。

（三）、探究問題3：螺旋槳的孔徑不同，螺旋槳旋轉的圈數有何差別？

操縱變因：螺旋槳的孔徑（2mm、3mm）、摩擦方向（往前、往後）

應變變因：螺旋槳旋轉的圈數

控制變因：鋁線的粗細2mm、鋁線的螺距8mm

 

本實驗使用的不同孔徑螺旋槳，如圖11。由實驗結果發現，不論往前或往後摩擦，螺旋槳旋轉的圈數都是螺旋槳孔徑3mm＞2mm。其中孔徑3mm往前摩擦達到70圈，往後摩擦則降為58圈，旋轉圈數都大於孔徑2mm的37圈。因此研究假說「螺旋槳的孔徑越大，螺旋槳旋轉的圈數越多」的說法成立。

延伸玩法：螺旋槳旋轉方向的控制

以上的實作結果，螺旋槳並沒有特定的旋轉方向，有時順時針轉，有時逆時針轉。如果想要控制螺旋槳的旋轉方向，需要稍加練習，操控方法主要在於摩擦筷子的方向以及施力點的掌握。例如圖12「往前右斜」方向的摩擦時，螺旋槳是順時針轉；往回摩擦則為逆時針轉。圖13是「往前左斜」方向摩擦時為逆時針轉，往回摩擦則為順時針。而圖14是筷子互相垂直的來回摩擦，但是施力點需要靠右或是靠左的變化，當施力點靠右來回摩擦時為逆時針；施力點靠左來回摩擦則為順時針轉。只要稍為練習掌握技巧，就可以控制螺旋槳的旋轉方向。

 
※參考資料

1.許良榮（2016）。聽話螺旋槳。玩出創意2：48個酷炫科學魔術（40-42頁）。台北：五南圖書公司。

2.許良榮（2016）。聽話螺旋槳二部曲。玩出創意3：77個奇趣科學玩具（34-36頁）。台北：五南圖書公司。

3. Wundersames, Mechanisches. Hui-Maschine. http://www.wundersamessammelsurium.info/mechanisches/hui_maschine/index.html

4. Toys, Making a Whammy Diddle. http://www.mugwumps.com/whammy.htm

5. GeeHaw Whimmy Diddle. Gee-Haw-Whammy-Diddle. http://bobscrafts.com/bobstuff/geehaw.htm

4. Little House in the Suburbs. Make a Gee Haw Whimmy Diddle. http://littlehouseinthesuburbs.com/2008/12/make-gee-haw-whimmy-diddle.html