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   

搖擺下坡

一邊下坡一邊搖擺的趣味實驗
器材:湯匙、木板(美耐板)、木條
操作步驟與現象:

物體在斜坡的自由運動不是滾動就是滑動,本實驗的湯匙卻在下坡時一直左右的擺動,相當有趣製作與操作方法如下:

1.取一底部為橢圓形的金屬湯匙,再將握柄彎曲如圖一注意彎曲後湯匙的重心在杓部的略後方(如圖一紅色原點),亦即湯匙會略為翹起來

2.取一長條的美耐板(表面較為光滑),並黏貼二片高約3公分的木條,二條木條的距離比湯匙寬約1公分,如圖二。註:美耐板與木條的長度可視需要調整,建議30公分以上

3.製作完成後,將美耐板一端墊高成為斜坡,再將湯匙放在最高處,輕輕敲一下後鬆手,就可看到湯匙一邊下滑而且一邊左右擺動喔!(如圖三)。同時也可聽到湯匙左右擺動,敲擊木條的清脆聲音。

觀看實驗影片(7.3M

原理:

本實驗參考自Grand Illusions網站(參考資料1),是日本發明家Kazunari Higuchi在1960年代的創見,其後瑞士的Neaf公司商品化販售,稱為「Motus(拉丁文--運動、移動之意)」。原始設計並不是使用湯匙,而是一橢圓形的木製品(形狀像橄欖球),下坡時相當緩慢,左右擺動的幅度也比較小。版主經過試驗,發現湯匙也可以呈現相同的現象

由文獻與網路搜尋,版主尚未發現相關的原理說明,只有參考資料1提到這是一種「偏心運動(eccentric motion),版主由實驗過程推測原理如下:

1.湯匙平放時的重心如圖四,約在杓部的略後方,並位於杓部與斜坡之接觸點的上方

2.放在斜坡上時,湯匙杓部與斜坡的接觸點往前移(圖五紅色箭頭),假設湯匙的重力(重量)為Fmg,則與斜坡平行、垂直的分力分別為f1、f2,f1即為促使湯匙往下運動的力。

3.擷取影片的畫面,湯匙下滑的運動過程如圖六到圖九,可觀察到湯匙撞擊左右兩側的木條時,都是湯匙手柄彎曲的部分先撞擊到木條(紅色箭頭部分),接著才是湯匙的手柄前端撞擊木條(藍色箭頭部分)。因此湯匙的左右運動,是因為湯匙的手柄部分撞擊木條的反作用力所產生。

4.湯匙的杓部在運動過程中,會有左翹、右翹的傾斜變化(綠色線段)。由此顯示,除了斜坡的位能提供湯匙下滑的動能之外,湯匙的重心有如單擺的擺動,反覆左右擺動,提供了湯匙擺動的動能、位能的轉換。

由於尚未搜尋到相關討論的文獻或資料,以上原理是版主的推論,因此僅屬於「假說」(hypothesis),亦即為暫時性的解釋。

 

叮嚀的話:

1.影響湯匙順暢的下滑與擺動的因素相當多,包括湯匙的重心(彎折程度)、木板的光滑程度、下坡的角度、兩側木條的寬度,甚至湯匙的重量都會影響。相當適合做為科學探究或是科展的主題。

2.由於斜坡兩側木條必須儘量與湯匙產生「彈性碰撞」(不消耗能量),因此不適合使用會吸收能量的材質(例如橡皮)取代木條。

3.在教學上,可以指導學生觀察與討論:(1)湯匙手柄的彎曲位置不同或彎曲角度不同(亦即改變重心位置),如何影響湯匙的搖擺下坡?(2)不同光滑程度的斜坡(例如壓克力板、木心板或舖報紙的板子),湯匙是否都能搖擺下坡?(3)斜坡兩側的木條,距離改變,如何影響湯匙搖擺下坡?(4)以小組競賽方式,比賽哪一組的湯匙在一定距離持續搖擺下坡的速度最慢(時間最久)?或是搖擺的次數最多?

參考資料:

1. Grand Illusions Ltd

2. Youtube影片