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   

遁走紙彈簧

如同毛蟲般行走的有趣紙彈簧

準備器材:紙、剪刀、膠水

操作步驟
  右圖是市面買得到的玩具,相信很多人都玩過。材質是螺旋的環狀塑膠,像是疊起來的彈簧。將此彈簧的一端移到一邊,剩下的彈簧會陸續跟著移動過去。如果在斜坡操作,還可以一直交替的往前翻滾,如同步行一般,因此被稱為遁走彈簧(slinky walking spring)」。

  國立高雄師範大學周建和教授曾經演示以紙製作的遁走彈簧,相當簡便而有趣。製作方法如下。

1.首先點選圖一,下載製作圖形。圖形為A4大小紙張,包含共12個環形的圖形。

2.以彩色影印紙,影印下載的圖形,建議影印共五張(不同顏色各一張)。

3.將環形小圈圈剪下來,然後將所有環形紙片黏貼起來(建議以口紅膠比較適合,因為水分比膠水少)。黏貼方法如圖二圖三,每一片之間互相黏貼(重疊)約一公分即可。全部黏貼完成如圖四圖五。

4.為了避免紙彈簧在斜坡上直接滑動,因此紙彈簧的兩端需要黏上砂紙,以提供較大的摩擦力。而且為了避免砂紙太重,導致紙彈簧無法翻滾,因此只要黏上四小片砂紙即可(看起來很像核輻射的標誌)。

5.完成後,等確定口紅膠的膠水乾了以後,再檢查一下每片紙彈簧之間沒有黏住,就可以開始玩囉!

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*玩法*

  取一片平的木板或紙板,成斜坡狀,將紙彈簧放在最上方(如圖六)。拿著紙彈簧最上端幾片彈簧,移到下方,紙彈簧就開始陸續的翻轉疊到下方的位置(如圖七)。翻轉到最後一片時,最後一片會跨過去,亦即往前(往下)跨一步,接著再帶動紙彈簧繼續翻轉疊過來(如圖八),如此反覆進行,紙彈簧就一邊翻轉一邊下來了。

  另一種玩法是:將紙彈簧兩端分別放在左右手的手掌,然後控制兩手上下移動,可以讓紙彈簧來回的運動,模樣頗為有趣。

 

原理

  紙彈簧一邊翻轉、一邊「走」下來的過程,包括二個主要的過程,一是位於下方的紙片可以將上方紙片的彈簧拉過來。二是上方最後一片紙片,會跨過下方紙片而往前(往下)跨一步,繼續帶動紙彈簧的紙片。

  一位於下方的紙片可以將上方紙片的彈簧拉過來,是因為下方紙片的位能較低,此位能差異提供了上方紙片移動到下方的能量。如同物體會由高處往低處移動的道理。

  二上方最後一片紙片,會跨過下方紙片而往前(往下)跨一步,除了上述的位能差異,最主要是還有「慣性」的作用。因為最後一片紙片往前移動時,沒有後續紙片的牽引,因此比較能自由的運動。因此當最後一片紙片被拉起翻轉後,慣性使得該紙片繼續往前(往下)運動,而往前跨一步了。這也是為什麼最後一片紙片黏貼的砂紙不能太重的原因,太重的話甚至無法被拉起來,更不用說往前跨一步。

叮嚀的話

1.製作紙彈簧使用的紙張,避免太軟或太薄的,建議使用磅數較重的影印紙,以利紙片之間拉力的傳導。

2.影印紙使用五張或四張皆可,紙片越多,彈簧厚度越大,翻轉的時間越久,移動的速度也會越慢。如果厚度太大(太高),最後一片紙片無法跨越,就不能前進了。

3.紙彈簧除了圓形,也可以設計為方形的,請參閱參考資料1。版主個人還是比較喜歡圓形的,製作較為簡便。

4.一開始拉動紙彈簧到下方時(由圖六到圖七),放置的位置不能緊靠在上方,建議距離需要大於紙彈簧的直徑以上。因為如果距離太近,上方的紙彈簧最後會全部疊到下方,而不會往前跨一步。

5.在教學上,可以指導學生討論與探討以下問題:(1)為什麼要貼砂紙,砂紙的作用為何?(2)大小、圈數一樣時,以西卡紙、影印紙製作的紙彈簧,移動與翻轉的速度與距離有何差別?(3)討論上述第4點,為什麼上、下的距離太近時,上方的紙彈簧最後會全部疊到下方,而不會往前跨一步?

參考資料

1.教學設計:http://science.edu.tw/comm/resource/TeachingplanShare/Resource_1235709771594.doc

2.YouTube影片:http://www.youtube.com/watch?v=3WvFZezI0xo

3.Slinky Home Pagehttp://wiki.cs.messiah.edu/~bbarrett/home.html