國立台中教育大學 NTCU

科學教育與應用學系

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螺帽魔術

會聽命令旋轉上升或下降的神奇螺帽
器材:螺帽、螺絲、小馬達、微型震動馬達、乾電池、熱熔膠、壓克力板
操作步驟與現象:

在2005年時,版主看過一個魔術道具,只是很簡單的一個螺絲加螺帽(如圖一)。表演時,魔術師將螺帽轉進螺絲之後,一手拿著螺絲頭部,而兩手都沒有碰到螺帽,神奇的是:螺帽會聽魔術師的命令,自動的旋轉出來!

螺帽會聽命令旋轉出來,是因為螺絲的頭部,藏了一個微型震動馬達。當馬達轉動產生震動,螺帽會隨著馬達的震動而旋轉,並沿著螺紋

的方向而旋轉上升。這個魔術道具在Amazon售價為11美元(約台幣三百多元,不含運費)。版主利用簡易的材料,仿製這個魔術道具,而且發展出不同的玩法。

玩法一 以微型震動馬達製作

完成後的操作現象如圖二,將螺帽轉入螺絲,然後左手拿著螺絲頭部。結果螺絲會依右手的命令,自動旋轉出來或停止。此魔術的操作秘訣是:左手大拇指藏有機關(如圖三)。製作與控制方法如下:

1.到電子材料行買「微型震動馬達」,一個約台幣70元,其構造的特徵是軸心的頭部有一個半圓形的金屬(稱為偏心輪),此金屬片旋轉時就會造成震動。

2.將微型震動馬達頭部朝下(偏心輪朝下),以雙面膠黏貼在大拇指內側(如圖三),並將馬達的藍色電線接到小電池的負極,以膠帶貼緊;再將小電池用雙面膠黏貼在馬達的下方。請注意:小電池的負極朝下,正極朝上。註:小電池為5號(代號N)乾電池,也是1.5伏特。

3.將馬達的紅線電線,放在電池正極上方,只要靠近即可,不要互相接觸。

4.完成之後操作時,左手大拇指拿著螺絲,注意要將螺絲頭部和馬達的尾端相互接觸。然後以無名指將馬達的紅色導線,壓在電池正極,形成通路,馬達一旋轉就可以帶動螺絲轉動,螺絲就會旋轉出來了。換言之,用無名指當為控制馬達旋轉的開關。

上述操作中,請特別留意:(1)導電線路或手指都要避免壓到馬達的偏心輪,如果壓到,馬達就無法轉動了。(2)控制開與關的地方(圖四),要位於無名指可以壓到的位置,以利於操控。(3)左手拿住螺絲的時候,螺絲要和馬達(尾端)確實接觸,以便可以傳導震動。

 

 觀看實驗影片(9.2M

玩法二 以小馬達製作

上述的操作只能使螺帽旋轉出來,無法使螺帽旋轉進入。本設計可以控制螺帽的轉出、轉進。玩法如圖五,壓克力板上面黏貼了一組螺帽與螺絲,以手指壓右邊,螺帽會旋轉上去;反之,換成壓左邊,則螺帽會旋轉下去。反覆的壓左邊、壓右邊,螺帽似乎會聽命令,轉進又轉出。製作方法如下:

1.取一片壓克力板,板子的四個角落以熱熔膠分別黏貼一個螺帽,以墊高壓克力板。

2.將螺絲的頭部以熱熔膠黏貼固定在壓克力板上,如圖六。

3.將小馬達與電池組以熱熔膠及膠帶黏貼在壓克力板任意一邊,如圖六右下方。

4.取一小段原子筆筆芯(沒有墨水的一端),長約2公分即可,套進小馬達的轉動軸心,再將筆芯彎折,如圖七;最後取一個螺帽,用熱熔膠固定在筆芯上,形成偏心輪,以使馬達轉動時產生震動。

5.操作時,將電池打開通電,小馬達開始震動,然後用手指壓住螺絲的左邊或右邊(如圖五),就可以控制螺帽的轉進與轉出了。

上述的操作,如果無法成功控制螺帽的轉進與轉出,可能的原因包括:(1)小馬達產生的震動幅度不夠大,這時先確認電池的電力是足夠的,其次是馬達前端黏貼的螺帽太小,或是筆芯彎折程度不夠,使得偏心旋轉的程度不夠明顯。(2)手指壓住壓克力板時,壓得太輕,不夠用力。(3)小馬達和電池組沒有黏貼的很牢,使得震動傳導的程度降低。

觀看實驗影片(6.6M) 

延伸的玩法

利用馬達震動來控制螺帽上升與下降,還有一些不同的玩法。例如圖八,將微型震動馬達以熱熔膠黏貼在乾電池上方,螺絲再黏貼在馬達上方。然後用左右手分別用力按壓乾電池,結果按在馬達的左邊,螺帽會旋轉進下降;按在馬達的右邊,螺帽會旋轉上升。再如圖九,是將微型震動馬達用膠帶固定在螺絲下方,再連接電池,結果只要改變電池方向(正負極互換),就可以使螺帽上升或是下降。

 

 觀看實驗影片(11.4M

原理

首先說明以微型震動馬達控制螺絲的原理,以圖十為例,螺絲頭部緊貼在「微型震動馬達」尾端,而馬達的軸心頭部有一個半圓形的金屬,稱為「偏心輪」(如圖十左上),偏心輪的質量中心不在旋轉中心,使得馬達旋轉時不是處於平衡狀態,而產生震動。就如電風扇的葉片少了一片,旋轉時就會產生很激烈的晃動一樣。

當偏心輪以順時針方向旋轉時(圖十黃色箭頭),可經由摩擦力帶動馬達後端的螺絲一起順時針旋轉。此情形如同玩呼啦圈時,人體的轉動可以帶動呼拉圈的轉動,而且人體與呼啦圈的轉動方向是一致的。因此螺絲有如人體,螺帽有如呼拉圈,因此螺帽也是順時針轉動,就會旋轉出來。另一方面,如果將電池的正負極顛倒,馬達會變成逆時針轉,螺絲與螺帽也是逆時針轉動,螺帽就會旋轉進螺絲。

 

至於第二個玩法,小馬達與螺絲都黏貼在壓克力板上,彼此沒有直接接觸,手指分別按壓左右邊,螺帽可以轉進轉出的原因,版主搜尋網路資料,並未發現明確的解釋,以下是版主的推論,屬於一種假說(hypothesis),亦即是一種暫時性的解釋。

圖十一與圖十二中,「紅色實線」代表螺絲的螺紋,「藍色實線」代表螺帽的螺紋,「藍色虛線」則為螺帽螺紋的運動方向。圖十一是手指按壓螺絲的左邊的情形,由於左邊被按住,所以只有右邊在震動(如圖十一左側的綠色雙箭頭)。因此螺帽右邊會彈跳比較高(藍色虛線),其受力F的方向為朝上偏左(紅色箭頭),方向與螺帽質心M的移動方向相同。而此力可分解為f1和f2,f1方向朝左,因此螺帽向左邊運動,而螺帽沿著螺紋運動,螺紋的左邊較低,因此螺帽就會朝下方運動,轉進螺絲。

 

反之,以手指按壓螺絲的右邊,如圖十二;由於右邊被按住,所以只有左邊在震動(圖十二左側綠色雙箭頭)。因此左邊彈跳比較高(藍色虛線),其受力F的方向為朝上偏右(紅色箭頭),方向與螺帽質心M的移動方向相同。F力也可分解為f1和f2,f1的方向朝右,因此螺帽沿著螺紋,朝上方運動,螺帽轉出螺絲。

以上的解釋只是針對「上下震動」可能造成的影響而言,並未考慮「重力」的影響。因為螺紋的構造有如「斜坡」,當斜坡產生震動,斜坡上的物體,會由於本身的重量,而往下運動(例如雪崩的情形)。換言之,螺帽在上下震動時,有利於往下運動而轉緊。但是「水平(橫向)震動」則又容易造成螺帽鬆脫(參考資料2),因此震動所造成的螺帽運動,是一個相當複雜的過程喔!

叮嚀的話:

1.以微型震動馬達製作,螺絲與螺帽要選用小一點的,大小以螺絲頭部與馬達直徑一樣即可。以小馬達製作的,由於震動幅度比較大,可以選用大一點的螺絲。

2.如果牽涉到用手按壓電池或壓住克力板,以控制螺帽的運動方向,則按壓時必須稍微用力的壓,以使有效的傳導震動或抑制震動,才能明顯地觀察到現象變化。

3.在教學上,可指導學生進行以下實驗與探究:(1)玩法一中,是否可以用鈕扣型電池取代小電池?操作上會更方便嗎?(2)玩法一的螺帽只能單方向旋轉出來,能否設計出可以聽命令轉出、轉進的方法?(3)玩法二中,更換不同大小的螺絲與螺帽,實驗結果有何差別?(4)發揮創意設計不同的玩法,例如將螺絲放在桌上(螺絲不能被黏住),可以讓螺帽聽命令轉進或轉出嗎?

參考資料:

1. 跟著鄭大師玩學科學:螺帽戲法。http://www.masters.tw/136301/nut-and-bolt?utm_campaign=shareaholic&utm_medium=facebook&utm_source=socialnetwork

2. Bolt Scienec--Self-Loosening of Bolts and Nuts. http://www.boltscience.com/pages/vibloose.htm

3. YouTube影片:

(1) How to unscrew nut with Vibrator. https://www.youtube.com/watch?v=2bUqbgVoAfk

(2) psychic micro sur table- le boulon qui se devise. https://www.youtube.com/watch?v=J5_kpntxi-8

(3) Magic Trick With Bolt Trick Secret. https://www.youtube.com/watch?v=Q10KmQ3p4Co