鐵球會往上滾的趣味科學玩具

右圖是坊間買得到的一種玩具，國內有人稱為「瑞利球」，國外大多稱為「射月球（shoot the moon）」。其構造是木製的板子上有二根金屬棒以及一顆鐵球，板子上挖了五個洞。二根金屬棒較窄的一端比較低（圖片上方），因此鐵球一開始是在這個位置。操作時，雙手分別握著二根金屬棒（較寬的位置，圖片下方），雙手拉開金屬棒讓寬度增加，鐵球就會從較低的位置滾過來，相當有趣。玩法規則是控制二根金屬棒的距離，讓鐵球掉進下面的洞，洞越遠得分就越高（有些設計則是不同的洞分別代表金星、水星、火星、土星、木星等行星）。

　　這個玩具的售價要好幾百元，我們可以利用厚紙板、吸管、彈珠來製作類似的玩具。製作方法如下。

1.取一厚紙板，裁切長約25公分，寬約15公分，當為底板。

2.以厚紙板裁切出六條長條形（長約15公分，寬約1.5公分）。（註：以上尺寸不必很精確）

3.將六條長條形厚紙板，以雙面膠在底板左邊黏貼二條（如圖一），右邊黏貼四條。距離以不超過吸管的長度為原則。完成後，圖一右邊比左邊高了約1公分。

4.取二根小吸管（儘量用硬一點的吸管），用圖釘釘在左邊的長條形厚紙板上。注意：二根吸管不可以完全緊靠在一起，如圖二，吸管的距離大約比彈珠的直徑略小一點。

5.完成後，二根吸管的正下方的底板上挖洞，洞的大小要比彈珠略大且成一直線，挖三個或四個洞都可以，可自行決定。圖一中最遠的洞超出了吸管的長度，是因為可以讓彈珠滾出吸管喔！

　　製作完成就可以玩看看囉。如圖三，雙手分別拿著吸管兩端，略微張開，彈珠就會由低處滾過來。彈珠開始滾動後，必須在適當距離靠攏二根吸管（關鍵步驟，如圖四）。如果太慢靠攏吸管，彈珠會掉下去；但是如果太快靠攏，彈珠會停止前進，滾回低處。控制恰當時，讓彈珠滾到適當的位置，再迅速張開吸管，讓彈珠掉到想要的洞，就可以得分了（距離越遠分數越高）。

實驗結果請觀看實驗影片（13.6M）

　　本遊戲的原理分為二部分，一是為什麼吸管張開，彈珠會往上滾動？二是為什麼吸管靠攏可以讓彈珠繼續往上滾動？

　　一開始吸管張開時，彈珠會往上滾動，原理與「爬坡雙錐體」相同，亦即彈珠仍然是往低處滾動。如圖五，彈珠會往上滾動（距離較寬的位置），是由於彈珠在較寬的位置時，因為可以沉下去而比較低（如側視圖），所以彈珠還是往低的位置滾動。亦即雖然吸管（綠色線）是爬坡，但是由於吸管在較寬的位置時，可以讓彈珠沉下去，所以彈珠本身是往低處滾動！

　　至於吸管靠攏可以讓彈珠繼續往上滾動，是因為吸管靠攏時（注意：是彈珠沉下去時才靠攏吸管），吸管給予彈珠F的力（如圖六紅色箭頭），力F可分解為f1與f2的分力（如圖六藍色箭頭），其中分力f2即是推動彈珠往右的力，因此彈珠繼續往右（吸管高處）滾動。彈珠滾動後，靠慣性可以繼續滾動一小段距離，直到位能及摩擦力抵銷了彈珠的動能。

1.由於配合一般市面買到的彈珠大小，使用的吸管以小吸管較為恰當。而吸管務必挑選硬一點的，以避免控制時吸管產生彎曲的現象。

2.同一包吸管中，有些吸管會有點彎曲，必須挑選沒有彎曲的、完全筆直的吸管。挑選方法為：將吸管放在平的桌面上滾動一下，看看吸管滾動時是否平直順暢（在撞球店挑選筆直的撞球桿時，也是同樣的方法）。

3.以圖釘固定吸管時，插入圖釘後，先左右轉動吸管幾次，讓吸管可以順暢轉動之後，才釘入厚紙板上固定。

4.在教學上可以採分組競賽的方式，比賽在固定時間，或是固定次數，那一組的得分累計最高分。

5.除了分組競賽，可以讓學生討論或是操作試驗：探討吸管兩端的高度差是否影響彈珠的運動？是否高度差到了某個程度，就不可能讓彈珠往高處滾動？

1.第49 屆中小學科學展覽會作品：http://activity.ntsec.gov.tw/activity/race-1/49/pdf/080114.pdf

2.TinToyArcade：http://www.tintoyarcade.com/products/Hit-the-Spot-Gravity-Ball-Game.html

3.Youtube影片：http://www.youtube.com/watch?v=dl5YJ0sNBlk