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   

欲擒故縱

一邊旋轉、一邊纏繞的趣味玩具
器材:螺帽、橡皮筋、木板、孔珠、縫衣線、鑰匙圈、電鑽
操作步驟與現象:

這是一個以橡皮筋為動力,反覆呈現「擒」與「縱」的趣味玩具,製作頗為簡易,過程與現象如下:

1.參閱下圖,首先將橡皮筋旋轉幾圈之後,橡皮筋的彈性張力會使圖A上方的水平竹筷開始旋轉,並帶動以縫衣線綁著的螺帽旋轉。

2.當旋轉到左邊時,左邊直立的竹筷會擋住螺帽(如圖B),使得螺帽因為慣性而在竹筷上打轉,並且纏繞在竹筷上(如圖C)。

3.螺帽在竹筷上纏繞到最後會停住,接著因為本身的重量而掉下來,並反方向旋轉而鬆開(如圖D)。旋轉鬆開之後,橡皮筋的張力又使上方水平竹筷旋轉,回到圖A,如此反覆直到橡皮筋的張力降低到無法旋轉為止。

觀看實驗影片(9.8M

製作方法:

本操作的製作看似複雜,但並不困難,說明如下(參閱下圖圖一):

1.取一木板當為底座,長度為竹筷長度的一倍以上。在木板上以電鑽鑽洞,以便插入竹筷。鑽的洞不要太大,可以插入竹筷即可,大小適合時,甚至不必以黏膠固定(竹筷頭部較小,插入洞之後可以套牢固定)。

2.木板底座上一共要鑽三個大小一樣的洞,距離分別為:11公分、2公分(參見圖一)。左右二側的洞要插入直立的竹筷,中間的洞則要穿橡皮筋用。

3.製作旋轉軸架(圖一右上):

(1)取一木塊,長約竹筷的三分之一,在木塊尾端鑽一個洞,要穿透木塊,以便穿過橡皮筋、孔珠以及水平的竹筷。孔珠的作用為減少摩擦力,以使竹筷較為順暢的旋轉。

(2)水平竹筷的尾端以熱熔膠黏貼一個大螺帽,當為平衡錘,以免竹筷不夠水平。

(3)在木塊上再鑽另一個洞(注意不要穿透木塊),相距尾端的洞2公分,以便插入直立的竹筷。

4.將橡皮筋穿過旋轉軸木塊尾端的洞,再套進水平竹筷與孔珠,然後穿進底座木板。最後在底座的背面(圖一右下)將橡皮筋套進鑰匙圈,當為旋轉橡皮筋(上發條)之用。

5.在水平竹筷的左側尾端(圖一左上),以縫衣線綁上一個小螺帽當為擺錘,小螺帽距離底座至少2公分高(圖一左下)。另一方面,二根竹筷之間要有間距,以免撞到(如果太靠近,就將竹筷剪短一些)。但是請注意間距不可太寬,以免運動過程中小螺帽無法纏繞到直立的竹筷

 

原理:

「擒縱(escapement)」裝置是人類重要的機械發明之一,例如早期的機械鐘錶的運作都需要擒縱裝置(如圖二)。此種裝置的特色是利用具有彈性位能的發條的能量,帶動機械進行較長久的規律性、反覆性的運動。

本實驗參考自Grand Illusions網站在Youtube的影片介紹(見參考資料),目前已有商品化的玩具。除了圖一的設計,還有不同型式的設計,例如圖三就是設計為兩側都有擒縱的裝置,旋轉的竹筷改為較長的竹籤,左邊與右邊都綁了縫衣線與小螺帽,能同時在兩邊擒與縱喔!

 

 

叮嚀的話:

1.由於本操作可以選用不同形式或大小的器材,例如以竹籤代替竹筷,迴紋針代替鑰匙圈,因此可以自行改變洞的距離、擺長(縫衣線)的長度等等。

2.旋轉鑰匙圈上緊發條(橡皮筋)之後,可插入一段竹筷或竹籤再壓在底座,以免鬆手後橡皮筋空轉。而由於木板底座有鑰匙圈,會使得底部傾斜不穩固,建議用手壓著底座或是挖個凹槽固定鑰匙圈。

3.影響擒、縱過程的變因相當多,在教學上,可以指導學生觀察與討論以下問題:(1)為什麼轉動的竹筷(圖一右上)尾端需要黏貼大螺帽?如果沒有大螺帽,會有什麼現象?(2)接上題,竹筷下方為什麼需要「孔珠」,其作用為何?(3)會纏繞在左邊直立竹筷上的縫衣線(圖一左下),其長度會如何影響擒、縱的運作?太長或太短分別有什麼缺點?(4)改變縫衣線上的螺帽的大小,重量不一樣會有何影響?(5)分組競賽,看誰的裝置的擒縱次數最多?設計兩邊都能擒縱的裝置,比賽誰的裝置可以讓兩邊同時發生擒與縱?

參考資料:

Youtube影片:https://www.youtube.com/watch?v=J-OY0KxRdgQ