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   

懸浮轉子

墊圈不會往下掉,還會一直旋轉喔!

器材:細木棍、馬達、電池、可變電阻、熱熔膠、束帶、墊圈或吸管
操作步驟與現象

  在「環與棒的共舞」的科學遊戲中,小環在緩慢的掉落過程中會一直旋轉。本遊戲則是小環一直旋轉,而且不會掉下來喔!製作過程下:

1.取一小馬達,在小馬達前端的旋轉軸以熱熔膠黏上一個螺帽(如圖一)。注意:螺帽必須是傾斜的,以便形成不平衡的轉動。

2.將小馬達以二條束帶固定在直立的細圓木棍上(直徑約0.3公分,長度約50公分),然後接上電池以及可變電阻。完成後如圖二。

3.打開電源,並調整可變電阻,讓馬達轉動。由於馬達黏上螺帽,產生不平衡的轉動,會帶動細木棍產生振動,然後將金屬墊圈(或取一小段吸管)放進細木棍的上端,金屬墊圈會隨著細木棍的振動而轉動(如圖三)。調整可變電阻,改變馬達的轉速,細木棍的振動也會隨之改變。當馬達在適當的轉速時,金屬墊圈會停留在細圓木棍上一直轉動,不會掉下來,有時甚至還會往上跑喔!另一方面,也可以放進二個;甚至三個、四個墊圈,也都不會掉下來喔。

  

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原理

  懸浮轉子的電路接線圖,如圖四;其中可變電阻有三個接頭,可以接中間與右邊,或是中間與左邊。

  墊圈會在圓木棍上轉動而且不會掉下來(甚至往上跑),是因為木棍由馬達的帶動而振動,此情形就如同我們搖呼拉圈一樣,身體的轉動帶動呼啦圈旋轉而不會掉下來。

  由於馬達的旋轉軸黏貼了螺帽,而且螺帽是以傾斜的方式黏貼(參見圖一),目的在使馬達的旋轉為「偏心(eccentric)旋轉」,此非對稱的不平衡轉動會產生振動,帶動木棍振動,進而使墊圈旋轉。

  仔細觀察,可以發現木棍的振動會形成如圖五的振動,有如波浪狀。而且會產生「駐波(standing wave)」的形狀,中間有數個「節點(node)」,亦即形成一種規律性的振動,因此可以使得墊圈穩定的旋轉。注意:木棍的振動是否會形成駐波,和螺帽重量、馬達轉速以及木棍的粗細都有關係,不是必然會形成駐波。

叮嚀的話

1.在製作上,儘量挑選細的圓木棍,越細越容易產生振動,比較容易成功。而且將木棍直立固定時,必須將底部牢牢固定,不可鬆動。圓木棍可在美術材料行購買,而且也可採用塑膠材質的棍子(一根不到5元),直徑建議在0.2~0.3公分。

2.挑選了細的圓木棍,如果墊圈還是會掉下來,無法成功,通常是振動幅度太小,建議換為較大(較重)的螺帽,以便產生較大的振動。除了螺帽,墊圈的大小也會影響,因此建議最好準備不同尺寸的墊圈或螺帽,逐一替換試驗。

3.馬達的轉速也是影響因素之一,不是轉越快就越容易使木棍產生駐波。在操作時,調整馬達轉速,仔細觀察木棍是否產生駐波(通常木棍越細越容易觀察到駐波),確定有駐波之後,才放進墊圈。

4.在教學上,可以指導學生探究以下問題:(1)墊圈的孔洞大小是否影響在木棍上的旋轉?以及墊圈的孔洞大小和棍子的粗細,有否需要特定的比例?(2)木棍換為粗鐵絲,是否也可以成功?換言之,棍子的材質(摩擦力差異)是否也是變因之一?(3)馬達的轉速越快效果會越好嗎?還是不一定?

  以上相關的討論可參考科學遊戲「環與棒的共舞」,可以發現墊圈的旋轉與棍子粗細之間的奧妙關係。

參考資料

Downie, N. A. (2001). Vacuum bazookas, electric rainbow jelly, and 27 other Saturday science projects. Oxford: Princeton University press.