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   

滾球大賽

鐵球會往上滾的趣味科學玩具

器材:厚紙板、吸管、彈珠、雙面膠
操作步驟與現象

  右圖是坊間買得到的一種玩具,國內有人稱為「瑞利球」,國外大多稱為「射月球(shoot the moon)」。其構造是木製的板子上有二根金屬棒以及一顆鐵球,板子上挖了五個洞。二根金屬棒較窄的一端比較低(圖片上方),因此鐵球一開始是在這個位置。操作時,雙手分別握著二根金屬棒(較寬的位置,圖片下方),雙手拉開金屬棒讓寬度增加,鐵球就會從較低的位置滾過來,相當有趣。玩法規則是控制二根金屬棒的距離,讓鐵球掉進下面的洞,洞越遠得分就越高(有些設計則是不同的洞分別代表金星、水星、火星、土星、木星等行星)。

  這個玩具的售價要好幾百元,我們可以利用厚紙板、吸管、彈珠來製作類似的玩具。製作方法如下。

1.取一厚紙板,裁切長約25公分,寬約15公分,當為底板。

2.以厚紙板裁切出六條長條形(長約15公分,寬約1.5公分)。(註:以上尺寸不必很精確)

3.將六條長條形厚紙板,以雙面膠在底板左邊黏貼二條(如圖一),右邊黏貼四條。距離以不超過吸管的長度為原則。完成後,圖一右邊比左邊高了約1公分。

4.取二根小吸管(儘量用硬一點的吸管),用圖釘釘在左邊的長條形厚紙板上。注意:二根吸管不可以完全緊靠在一起,如圖二,吸管的距離大約比彈珠的直徑略小一點。

5.完成後,二根吸管的正下方的底板上挖洞,洞的大小要比彈珠略大且成一直線,挖三個或四個洞都可以,可自行決定。圖一中最遠的洞超出了吸管的長度,是因為可以讓彈珠滾出吸管喔!

  製作完成就可以玩看看囉。如圖三,雙手分別拿著吸管兩端,略微張開,彈珠就會由低處滾過來。彈珠開始滾動後,必須在適當距離靠攏二根吸管(關鍵步驟,如圖四)。如果太慢靠攏吸管,彈珠會掉下去;但是如果太快靠攏,彈珠會停止前進,滾回低處。控制恰當時,讓彈珠滾到適當的位置,再迅速張開吸管,讓彈珠掉到想要的洞,就可以得分了(距離越遠分數越高)。

 

實驗結果請觀看實驗影片(732K

原理

  本遊戲的原理分為二部分,一是為什麼吸管張開,彈珠會往上滾動?二是為什麼吸管靠攏可以讓彈珠繼續往上滾動?

  一開始吸管張開時,彈珠會往上滾動,原理與「爬坡雙錐體」相同,亦即彈珠仍然是往低處滾動。如圖五,彈珠會往上滾動(距離較寬的位置),是由於彈珠在較寬的位置時,因為可以沉下去而比較低(如側視圖),所以彈珠還是往低的位置滾動。亦即雖然吸管(綠色線)是爬坡,但是由於吸管在較寬的位置時,可以讓彈珠沉下去,所以彈珠本身是往低處滾動!

  至於吸管靠攏可以讓彈珠繼續往上滾動,是因為吸管靠攏時(注意:是彈珠沉下去時才靠攏吸管),吸管給予彈珠F的力(如圖六紅色箭頭),力F可分解為f1與f2的分力(如圖六藍色箭頭),其中分力f2即是推動彈珠往右的力,因此彈珠繼續往右(吸管高處)滾動。彈珠滾動後,靠慣性可以繼續滾動一小段距離,直到位能及摩擦力抵銷了彈珠的動能。

叮嚀的話

1.由於配合一般市面買到的彈珠大小,使用的吸管以小吸管較為恰當。而吸管務必挑選硬一點的,以避免控制時吸管產生彎曲的現象。

2.同一包吸管中,有些吸管會有點彎曲,必須挑選沒有彎曲的完全筆直的吸管。挑選方法為:將吸管放在平的桌面上滾動一下,看看吸管滾動時是否平直順暢(在撞球店挑選筆直的撞球桿時,也是同樣的方法)。

3.以圖釘固定吸管時,插入圖釘後,先左右轉動吸管幾次,讓吸管可以順暢轉動之後,才釘入厚紙板上固定。

4.在教學上可以採分組競賽的方式,比賽在固定時間,或是固定次數,那一組的得分累計最高分。

5.除了分組競賽,可以讓學生討論或是操作試驗:探討吸管兩端的高度差是否影響彈珠的運動?是否高度差到了某個程度,就不可能讓彈珠往高處滾動?

參考資料

1.第49 屆中小學科學展覽會作品:http://activity.ntsec.gov.tw/activity/race-1/49/pdf/080114.pdf

2.TinToyArcadehttp://www.tintoyarcade.com/products/Hit-the-Spot-Gravity-Ball-Game.html

3.Youtube影片:http://www.youtube.com/watch?v=dl5YJ0sNBlk