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   

爆走毛刷

毛刷沒有輪子,如何爆走呢?

器材:馬達、電池、刷子、雙面膠(或橡皮筋)、廢棄原子筆
操作步驟與現象

  在「懸浮轉子」的科學遊戲中,利用了小馬達偏心旋轉會產生振動的原理,本科學遊戲也是運用此原理,製作會運動的毛刷。製作相當簡易,如下步驟:

1.將廢棄的原子筆的筆心取出,剪下約3公分長,彎曲之後套進小馬達前端的旋轉軸上(如圖一的小馬達前端)。

2.將小馬達接上電池組,再以雙面膠分別將電池組以及小馬達黏貼在毛刷上面。為避免鬆動,可以再用橡皮筋纏繞固定,完成的爆走毛刷如圖一。

3.打開電池組開關,馬達開始轉動之後,可以觀察到爆走毛刷產生振動。放在地板上(如圖二),爆走毛刷就會開始運動,但只是原地打轉,不會前進!

  如何讓爆走毛刷能夠前進,而不是原地打轉呢?方法是:調整刷毛的方向!

  將毛刷的刷毛以同一方向壓緊,當刷毛保持如圖三的傾斜時,就會往前(往右)前進,而不是原地打轉了!

觀看實驗影片(0.8M

原理

  將「振動」轉換為「前後運動」或「轉動」的科學遊戲相當多,本網站介紹過的就有「動力橡皮筋」、「懸浮轉子」、「聽話螺旋槳」、「吸管風車」、「反轉魔石」等,其中除了「動力橡皮筋」是將「振動」轉換為「前後」運動;其他都是「振動」轉換為「轉動」運動。

  本科學遊戲「爆走毛刷」在刷毛為直立時,其振動方向為上下振動,假設每一根刷毛都是上下垂直地面沒有傾斜,則理論上毛刷只會在原地上下跳動。但實際上由於每根刷毛並未都是上下垂直,有部分刷毛是傾斜的,因此會形成傾斜於地面的分力(刷毛作用於地面的彈力)。而每根刷毛的分力的總合很難剛剛好達成平衡,必然有某一方向的分力較大,因此造成了爆走毛刷的旋轉。至於哪一個方向的分力較大,並不容易預測,因為刷毛太多,無法一一確認,如同影響氣候的變因很多,超級電腦也很難準確、精確的預測。所以爆走毛刷有時逆時針旋轉,有時又會順時針轉。

  當毛刷的刷毛傾斜方向一致時(如圖三),則大多數刷毛作用於地面的分力一致,因此讓毛刷往前運動。原因如圖四,刷毛對於地面的作用力為F(紅色線段),此作用力可分解為往上的分力f2,以及往右的分力f1。f2使毛刷往上彈跳,而f1就是使毛刷往右(往前)的力了。

叮嚀的話

1.由於刷毛具有彈性,因此要將刷毛傾斜為同一方向,需要壓緊約二十分鐘以上,才能使刷毛保持傾斜。而且為了儘量讓每根刷毛都接觸到地面,需要以剪刀修剪平整,避免因為傾斜而使部分刷毛沒有接觸地面。

2.除了使用大毛刷,也可以使用牙刷來製作(參見參考資料),但是使用廢棄的牙刷,由於刷毛已經曲折或過於零亂,不容易將刷毛傾斜為同一方向。

3.在教學上,建議可以指導學生觀察與討論以下問題:(1)初步完成後(刷毛為直立時),觀察爆走毛刷的運動情形與旋轉方向,尤其注意觀察旋轉方向會固定嗎?(2)變換馬達的位置,例如朝正後方、朝右邊或左邊,爆走毛刷的運動情形有何差別?(3)將毛刷的刷毛緊壓傾斜之後,比賽在固定距離,誰的速度最快?(4)如何設計出可以控制方向的爆走毛刷呢?

延伸的科學玩具

  市面上已有商品化的爆走毛刷(圖五),可以控制行走方面(單次控制),並加上可愛的眼睛造型,但是定價為五百多元,並不便宜。

  本玩具的行走方向是以一根輔助的小棍子控制。如圖六,紅色小棍子比較低,因此左邊翹起來,毛刷的刷毛就如同圖四的方向,因此往右運動。反之圖七的紅色小棍子突出較多,因此右邊翹起來,所以反過來往左運動。本玩具的相關介紹請見參考資料3。

  另一方面,版主聯想到本玩具的原理可以運用到「動力橡皮筋」的設計。將一張紙片(長約5~7公分)剪為如圖八的形式,上下各剪下二個缺口。然後將上下有缺口的部分同方向彎摺(傾斜即可,不可90度彎曲),再放到橡皮筋上(如圖九)。橡皮筋是套在釘在木板上的二根鐵釘上,注意二根鐵釘的距離必須和紙片的二個缺口一致,以便讓缺口剛好可以套進橡皮筋上。紙片放好後,以石頭磨擦鐵釘,紙片就開始運動囉!由於傾斜的方向與圖七相同,因此也是往左邊運動。仔細觀察,紙片的運動,是一邊跳一邊前進,驗證了圖四中具有往上的f2分力。

觀看實驗影片(0.9M)

參考資料

1.Toys from Trash(以牙刷製作):http://www.arvindguptatoys.com/toys/Brushinrush.html

2.You Tube影片:http://www.youtube.com/watch?v=G7wS98eEqTY

3.Off the Wall Toyshttp://www.fatbraintoys.com/toy_companies/toysmith/4m_brush_robot.cfm