用衣架玩科學

圖一：頭上手上都是衣架，真好玩。

古人在晾衣服時，會把衣服披在石頭上，或用竹竿穿成一串吊起來。有人發明了衣架，增加了晾曬範圍與通風空間，而且更好收納！但是衣架只能用來吊衣服嗎？把衣架作其他用途時，創意又開始醱酵了！很多小孩都被衣架打過屁股吧，所以媽媽們都很有創意！衣架也是個很好的「不求人」－抓背器，用來按摩肩頸穴道也不錯，試試看就知道衣架的勾子真的很好用。

圖二：鐡線衣架可彎成新潮造型，掛襪子吊衣服都不
會被風吹掉。

用鐡線與塑膠製的衣架更是大發明，不但耐用，還可以折出各種造型。例如新潮衣架掛襪子不須夾子，環保又實用！彎折的衣架作為武器，可勾、套、擲；製成叉子用來夾脖子或戳鼻子，更是威猛！把鐡線衣架彎成圓環，可以當成套環、飛盤或滾鐡圈；把它扭成投石器或彈弓，不但可玩還能用來探索科學原理喔！

圖三：用衣架做皇冠，帥吧！

圖四：用衣架和吸管做平衡鳥，可站立或躺平喔！

一、靜力平衡

1. 奇幻平衡鳥
   

   圖五：在衣架上用三條線吊著夾子，可用念力控制夾子
   擺動！
   • 把鐡線衣架的框框折成V字型，再把勾子拉直並套上一支吸管，再在吸管中插一支竹籤，使竹籤前端露出V字型的中央處即成。把竹籤的前端放在指尖，衣架會站在指尖上方，稱為單足平衡小人；這時，整組裝置的重心會在支點（指尖）下方。把竹籤伸長一些，使衣架成為水平狀態，就形成平衡鳥了；猜猜看，這時整組裝置的重心在那裡呢？
     

     圖六：用衣架自製一具天平，可以秤東西做買賣喔！
2. 念力擺
   

   圖七：衣架投石器威力大，打小強百發百中！
   • 在衣架上綁三條棉線，在線尾分別夾一個衣夾形成單擺。手握衣架上方，輕輕搖動衣架，可以使長短單擺依我們的指揮各自動。
     

     圖八：隨身帶支衣架，可以掛在桌邊作吊勾。
   • 不知情的人會以為我們有念力，其實短線單擺的週期短，長線單擺的週期長；所以只要依照單擺的自然頻率輕輕搖動衣架，形成共振，就可以表演魔術囉！
3. 魔術天平
   • 天平是用來稱量質量的工具，我們自己做一具天平吧！在衣架下方的鐡線上，用筆畫七條線，平分鐡線成八個區域。把鐡勾彎成小圓環，在圓環下端綁一條棉線與一個衣夾，然後用一支筆支撐小圓環，當棉線自然下垂時必須通過平衡點（七條線的中央線），這條棉線稱為鉛垂線。
   • 另外用兩條棉線綁在衣架下方的鐡線上，每條線的下端各夾一個衣夾。把兩條棉線移到中央線的左右相等距離處，觀察衣架是否仍然保持平衡（鉛垂線通過中央線）。
   • 接著在左右兩條棉線上，掛不同數量的衣夾，並移動兩條棉線的位置，使鉛垂線能回到平衡點。記錄左右兩條棉線到衣架中心點的距離，把衣夾的數目乘以距離，兩側的數值應該相等，因為它們形成了「力矩平衡」。
   • 想要秤一個物體的質量時，把待測物掛在左邊的棉線上；然後在右邊的棉線上增加衣夾，並移動棉線使衣架達到平衡，就可以算出待測物相當於幾個夾子的質量了。

二、彈力

1. 無敵投石器
   • 把鐡線衣架的框框由兩側往中央彎折，放在地面就成為投石器了。把一個瓶蓋放在勾子上並往後拉，釋放瓶蓋時它會飛得又遠又高。
   • 投石器是運用彈力的玩具，可以用來研究把瓶蓋射得遠或射得高的方法。通常把勾子向下壓得愈深（愈用力），釋放後瓶蓋射出去的速度會愈快；如果瓶蓋離開投石器時的仰角愈高，瓶蓋就能彈得愈高。若要射得遠，瓶蓋離開投石的水平仰角大約為45°；但是把投石器放在桌面上發射時，仰角要小一點，因為離地愈高，瓶蓋飛行的時間愈長，本來就可以射得很遠！
   • 如果從桌面發射，或把投石器套在手臂上發射，可以射到20公尺遠！如果在瓶蓋中塞一些粘土，使瓶蓋加重，減少空氣阻力的影響，可能射得更遠喔！
2. 神奇掛勾
   • 把投石器夾在桌邊，使勾子垂在桌下，就成為一個掛勾了。太太媽媽小姐到餐廳時，往往不知道包包要放在那裡；有這個方便的掛勾，包包就不會弄髒囉！
   • 掛勾的原理是「力平衡」。原來掛勾受到重力與桌子的支撐力，兩力大小相等、方向相反又在一直線上，就抵消了（合力為零），所以掛勾不會上下移動。又，掛勾也形成了「力矩平衡」；原來對掛勾的彎折點（桌緣）而言，包包的拉力使掛勾順時針轉，桌子的支撐力使掛勾反時針轉；兩方向的力矩相等而反向時，掛勾就不會動啦！
3. 九轉跳蛙
   • 哲學家說：蹲得愈低，跳得愈高！把投石器下方兩側的鐡線折彎，它就變成一個跳蛙了。把跳蛙放在地上，用一根手指壓住勾子與框框的連接點，釋放後，跳蛙就會跳高高。
   • 看看誰能讓跳蛙跳得最遠，或讓它跳得最高；又是否能使它在空中翻一圈再站立起來。目的不同時，蛙腳的設計都不同，壓的力道也要跟著調整。能隨心所欲使蛙跳動，你就成為小小工程師囉！
4. 我的子彈會轉彎
   • 把一支鐡線衣架彎成叉子，太太媽媽小姐可以用這個叉子來瘦臉，也可以用它來夾水果。而小朋友手握勾子，衣架就變身成為彈弓了。
   • 用鬆緊帶作為彈兜，兩端分別串聯二條與三條橡皮筋；再把這一串橡皮筋綁在叉子的兩端，彈弓就成形了。在彈弓兩側使用不同數量的橡皮筋，目的是要觀察子彈的軌跡。
   • 把一顆乒乓球放在彈兜中發射，這個子彈會轉彎。原來彈弓兩側拉力不均時，會使乒乓球自轉，在前進時帶動球面上的空氣；依照伯努利方程式的描述，球的兩側有壓力差，所以球就往壓力小的一側轉彎了。
   • 這種彈弓可以聲東擊西，專門對付躲在柱子後面的蟑螂。蟑螂嚇到後會互相走告：這一家人太厲害了；於是蟑螂們會全部搬家！
5. 超強十字弓
   • 只用衣架就可以做一張十字弓；把衣架捲成麻花，搭上吸管箭，就可以射十幾公尺遠了。原來藉著鐡線本身的彈力，箭射得不遠；但是把鐡線縮短，彈力常數增加，威力更增。但是把鐡線縮得太短，射箭前無法拉開弓，不能對箭作功，也是射不遠的。可見人造的東西都有「最佳化」，這個狀態因人而異，請找出最適合自己的十字弓製法吧！
6. 多功連發槍
   • 你敢拿槍到警察局門口炫耀嗎？帶這把槍去，不但警察不抓你，還會來向你買；原來這是具有多功能的連發槍，是21世紀的最新產品喔！
   • 在衣架下方的一側鐡線上，用橡皮筋綁一雙筷子作為板機；在筷子的另一端再綁一條橡皮筋，並把橡皮筋掛在勾子上，作為保險。在衣架的另一側，用膠帶綁粘一支粗吸管作為瞄準器；又在瞄準器前端，用剪刀剪一個缺口，可以掛多條橡皮筋作為子彈。
   • 這種衣架槍比筷子槍簡單，原來利用衣架的結構，省去綁筷子的麻煩，更不用擔心筷子槍會解體。
   • 在板機的兩支筷子尖端各掛一條橡皮筋，把橡皮筋拉到吸管前端，就成為二連發槍了。又在筷子和吸管的中間處再綁一支冰棒棍，在棍的左右各掛一條橡皮筋，衣架槍就可以四連發喔！
   • 如果在槍頭上多綁一條橡皮筋，把橡皮筋拉長，套在板機的兩支筷子上，就可以發射吸管箭了。吸管箭的前端用粘土（或衛生紙沾水）加重，箭尾用剪刀剪成V字形，塞在吸管中，射出去後百發百中，用來對付蒼蠅十分有效，牠們也會嚇到搬家！

三、移動

1. 懸崖勒鐡馬
   • 有一匹鐡馬，會自動前進，遇到懸崖會自動剎車，神奇吧！
   • 把投石器倒立放在桌上，就成為三腳馬。把三腳馬靠在桌緣，把一條線綁在馬頭上方，線的另一端用衣夾夾住成為重錘，懸垂在桌旁。把馬拉離桌緣，試著把衣夾一個一個加在重錘上，直到馬開始滑動。說也奇怪，馬滑到桌緣就自動剎住了。
   • 這個活動稱為懸崖勒馬，可以用各種材料製成各種形式，相同的目標是要停在桌緣，而且離桌緣愈近愈好。三腳馬會起動並剎停的原理，是水平拉力與摩擦力的抗衡。
   • 馬在移動的過程中，線上的張力是固定的；但是在起步時，馬受到的水平拉力大於摩擦力；而在剎停前，水平拉力小於摩擦力。
   • 水平拉力是線上張力的水平分力；在馬移動時，線與桌面的夾角愈來愈大，所以水平拉力愈來愈小；而摩擦力與線上張力的鉛直分力有關，在馬移動時，線與桌面的夾角愈來愈大，線上張力的鉛直分力增加，使得摩擦力也變大。所以，在我們的加持之下，三腳馬似乎有生命，就能停在懸崖邊囉！
2. 南瓜三輪車
   • 小女孩最喜歡帶誰去遛躂？小狗、猪、還是老虎？21世紀最炫的是遛三輪車！把衣架框框彎成ㄇ字形，就形成車架了。用一條橡皮筋把一根粗吸管綁在車架底端，用一支竹籤塞進吸管並刺穿兩顆乒乓球，就形成後輪；再把一顆乒乓球刺穿兩個大洞，套在勾勾上作為前輪，我們的迷你三輪車就大功告成囉。
   • 和朋友比賽，在斜坡上釋放三輪車，誰跑得快？還可以在車上增加重物當成老太太！車輪的前後軸距會影響車子行進的方向，而後輪的寬度更能控制車子的穩定喔！
   • 如果在車上加一張紙作為風帆，就不需要斜坡，而成為風帆車了；如果在車前加一條棉繩，手握棉繩拉著三輪車逛大街，一定讓所有人對你行注目禮，今天我最倩！

四、轉動

1. 硬幣摩天輪
   • 看過火杯舞嗎？我的硬幣舞更搖擺！在衣架框框的下端放一枚硬幣，平衡後快速旋轉衣架，硬幣不會掉下來喔！原來這是向心力的作用，硬幣被衣架推著轉，形成鉛直面圓周運動的現象！
   • 成功的要訣是：在衣架下方要多綁一支竹筷，擴大接觸面積有利於硬幣平衡，又增加摩擦力使硬幣不會滑脫。轉動時，先左右搖幾下，維持轉動平面；然後把衣架迅速拉高，多作些功它才會轉起來。準備停止時，要把衣架往下移動作緩衝，延長施力時間可以減少加速度，衣架就能安穩地停住囉！
2. 科技滾鐡圈
   • 古早童玩滾鐡圈令人回味無窮，從前的小孩們用箍住木桶的鐡圈來滾，還能繞操場跑幾圈喔。現代小孩打電動很強，卻少了和朋友一起在野外奔放的樂趣，也減低了強心健肺的體能鍛鍊！所以讓我們把一支衣架彎成一個圈圈，另一支衣架拉成直線，就可以玩滾鐡圈啦！
   • 初級版，是讓鐡圈依靠在鐡桿上，並與鐡桿接觸兩個點；高級版，是只有鐡桿的彎勾推動鐡圈。當鐡圈被加速轉起來後，它的角動量增加，就能維持前進方向了。這個原理如同單車的車輪，快速轉動時車子就不易倒了。

伽利略說過，所有的運動都可簡化為直線運動與圓周運動。讓我們一起來玩滾鐡圈，看看直線和圓圈能擦出什麼火花吧！

五、飛行

1. 超殺飛盤
   • 把鐡線衣架繞成一個環，可以玩套圈圈，有誰自願當被套的靶子呀？拋出圈圈時必須快速轉動，增加了角動量，它就可以維持方向，套住靶了。
   • 在圈圈上套一個塑膠袋，把邊緣用膠帶貼住，就變成一個飛盤囉！如果製作時能讓圓圈中心略為寬鬆，則飛盤在下降時會被空氣撐得鼓鼓的，它就能滑翔很遠；這是伯努利方程式的應用，鼓起來的地方會產生低氣壓，可以提供升力讓飛盤緩緩下降。這個飛盤很容易製作，和朋友在操場中玩飛盤，不用花錢買唷！
2. 夢幻彈射機
   • 用衣架也可以玩射飛機耶，沒想過吧！在衣架的框框上貼一張A4紙，再把勾勾拉直，前端折直角；用一支竹筷綁一條橡皮筋，就可以發射滑翔機了。
   • 滑翔機在飛行時沒有動力，是藉著翼面阻擋氣流而減緩下降的趨勢。所以衣架的框框必須張開一點，兩翼往上翹一些，才會飛得穩。
   • 看吧！衣架可以千變萬化，從靜到動、從直到圓、從地面到天上；我只能想到這麼多花樣，你一定可以設計得更多、更棒！

其他

1. 為何衣架被設計成這樣？
2. 衣架造形(船, 飛機, 動植物) 啄木鳥
3. 一堆衣架談化學鍵
4. 轉衣架, 轉身體, 談角動量
5. 自轉滾動