國立台中教育大學 NTCU

科學教育與應用學系

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聽話的螺旋槳

               會聽命令左轉、右轉的螺旋槳!
器材:竹筷、西卡紙、圖釘、Y字形樹枝
操作步驟與現象:

  這是一個有趣的科學玩具,刻了數個凹槽的竹筷的前端釘上一個螺旋槳(如圖一)。其製作方法是:

 (1)將一竹筷刻出約5~10個凹槽,深約0.3公分,間隔約0.5公分;

 (2)裁切長約2.5公分;寬約1公分的厚紙片(例如西卡紙),並量出中心點;

 (3)以圖釘(珠針的效果更佳)在厚紙片中心點穿洞,並使厚紙片可以自由轉動,再釘在竹筷的頭部當為螺旋槳。

  操作時請學生仔細看紙片螺旋槳的轉動方向,並拿另一根竹筷(或小竹棍)開始在凹槽上來回摩擦(如圖二)。並且唸唸有詞:「右轉(順時針)!」,螺旋槳好像聽懂命令一樣,開始右轉。接著再喊:「左轉(逆時針)!」,螺旋槳乖乖的停下來,並且立刻開始左轉。

  表演後可以請學生嘗試看看,是不是也可以讓竹筷螺旋槳聽話的左轉右轉?通常最多只能讓螺旋槳旋轉,無法控制轉動的方向。

觀看實驗影片(9.1M)

原理:

  這是一個源自阿帕拉契山(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),螺旋槳會聽話的轉特定的方向。此玩具的其他的名稱包括:Ouija Windmill、Hooey Stick或VooDoo Stick。

  想要控制螺旋槳的旋轉方向,需要稍為練習,主要在於摩擦的方向以及施力點的掌握。例如圖三:往前摩擦時,摩擦方向是由左向右,螺旋槳會順時針轉;往回摩擦則為逆時針轉。圖四是由右向左往前摩擦時為逆時針轉,往回摩擦則為順時針。而圖五是直線來回摩擦,但是施力點可以靠右,也可以靠左,當施力靠右來回摩擦時為逆時針;施力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了。

  來回摩擦造成螺旋槳的旋轉運動,主要是因為摩擦時,除了凹槽造成上下的震動(垂直震動),也包括來回刮動所造成的水平運動。垂直與水平二種震動並不平均,使得用於固定螺旋槳,位於中心點的針成為橢圓形軌跡的振盪,進而帶動螺旋槳轉動(如圖六)。而中心點的針的振盪方向,受摩擦凹槽的方向(如圖三、圖四)或是施力的方向(如圖五)的影響,而有不同方向的振盪,因此造成螺旋槳的旋轉方向的變化。

  另一方面,除了竹筷之外,也可以利用樹枝來製作摩擦雙螺旋,如圖七。選取一Y字形的樹枝,在樹枝兩頭釘上螺旋槳,樹枝尾部刻出凹痕就完成,相當簡易。

觀看實驗影片(6.6M

  另一種更為簡易的設計如圖八所示。竹筷的凹槽以鐵絲取代,也就是不必在竹筷上挖凹槽,而是以直徑約0.1公分的鐵絲(或是更好彎折的鋁絲)纏繞在竹筷上。而螺旋槳可以改變成圓形的設計,並畫上螺紋以增加視覺效果。製作時請注意鐵絲必須纏緊,以免摩擦時鐵絲滑動移位而影響效果。

  其他更有趣的設計,請點選聽話螺旋槳二部曲」。

 

圖八

參考資料
  1. 神奇大雜燴:http://www.wundersamessammelsurium.info/mechanisches/hui_maschine/index.html
  2. 愛荷華大學物理與天文演示:http://faraday.physics.uiowa.edu/mech/1Q30.90.htm
  3. 馬里蘭大學物理系:http://www.physics.umd.edu/lecdem/services/demos/demosg1/g1-81.htm
  4. Toys, Making a Whammy Diddlehttp://www.mugwumps.com/whammy.htm
  5. GeeHaw Whimmy Diddlehttp://bobscrafts.com/bobstuff/geehaw.htm    
  6. Little House in the Suburbshttp://littlehouseinthesuburbs.com/2008/12/make-gee-haw-whimmy-diddle.html