兩小無猜

出自 全民科學平台
於 2019年3月7日 (四) 04:33 由 劉恩佑 (對話 | 貢獻) 所做的修訂
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原始設計者:蕭次融


目的

以限定的材料,製作簡單的玩具陀螺,以探討物體的平衡, 並比賽其穩定性,包含: 單一陀螺轉動的持久性及疊羅漢陀螺反向轉動的持久性。

原理

陀螺是繞著一個軸轉動的轉動體,這個軸可以稱為轉動軸。 假如一個陀螺的各個質點對轉動軸的分佈完全對稱,亦即轉動慣量(註 1)均勻,則陀螺能穩定的轉動。 倘若陀螺的質點分佈不對稱,即使靜止時轉動軸垂直的維持一個平衡,亦即整個陀螺的重心落在轉動軸上,但轉動起來各質點對轉動軸所形成的力矩,使得陀螺所具有的角動量(註 2)可能發生變化,則轉動軸便不能保持垂直轉動,並隨著轉軸而晃動,陀螺的轉動很可能越轉越不穩定而搖晃。 一個陀螺要能轉得久,除了轉動要穩定外,並且要轉動慣量大,角動量大(轉得快),轉動軸接地點的摩擦力要小,還有轉動時空氣阻力也要小,才能轉得久。 本競賽所製作的陀螺雖然似二維的平面造型,但轉起來時,各質點的軌跡呈現以轉軸為中心的圓。 若轉動軸是 z 軸,則全體質點的轉動,就像在 xy 面上的圓盤。要調整重量分配,使圓盤能穩定地在 xy面上轉動並不容易,但很重要,尤其在轉速快的時候,更顯其重要性。汽車換輪胎時,技師要將整個輪子平放於轉盤定位,在輪框補釘鉛片以平衡輪子,是相同的道理。

競賽方法

  1. 使用大會提供及規定自備的器材, 在現場規定時間內製作數組竹片陀螺(圖 1-1),進行活動一的競賽。活動二、三需事先做好。 製作時要注意安全,以免割傷手。 活動三的成品報到時登記並繳交。
  2. 競賽時,必須使用選手製作的陀螺骨架,但油黏土要換裝大會提供的(用後當場拆下還給大會,供輪流使用)並在大會指定的瓶蓋上轉動。油黏土限使用在圖上所示的位置,不可在他處使用。 活動三不受此限。
  3. 比賽進行時,先比活動二再比活動一。 每隊在競賽前五分鐘,在預備區領取油黏土,調整陀螺、 練習轉動,靜候競賽。
  4. 以手指轉動陀螺,當手指離開陀螺,即可自行按馬錶,開始計時至陀螺轉動終了。任一陀螺在兩秒內未能轉動 90 度,即視同轉動終了。若手指未離開陀螺時,就按下馬錶是違規,即算已試一次競賽,但此次成績不列入計算。
  5. 選手自行按錶開始計時,一按錶即算一次競賽,途中不可暫停,亦不能要求重來;轉動之終了由評審判定並按錶停止計時。
  6. 每一次競賽,每一選手在競賽位置上, 未按錶前可試轉兩次。第三次轉動,不管成功與否,均列入一次競賽。
  7. 陀螺從瓶蓋上掉落或卡住,即停止計時,並當作一次成績。

活動一:單一竹片陀螺

製作

  1. 以一雙免洗筷(每一支竹筷能剖成 4~6 薄片,小心手),在30分鐘內製作竹片陀螺如圖 1-1,各竹片之接連只能用線綑綁,不可用膠帶或其他黏著劑。
  2. 每一陀螺的油黏土限定兩小團,每團 5.5 克,共約 11 公克,整個陀螺不得超過 12 克。
  3. 每一竹片陀螺的單側臂長(頂點至黏土底)應短於筷子長度的一半(不超過 10 公分)。
  4. 置於汽水瓶的蓋上轉動如圖 1-1。【圖 1-1】竹片陀螺 【圖 1-2】陀螺疊羅漢

競賽

  1. 每一隊推派選手三名,候補一名,各以其所作陀螺,在指定瓶蓋上轉動,每人至多轉二次,取每一選手轉動最長的時間,將三人的轉動時間相加為總時間,以總時間的長短排序後,依六等第計分法計分,得成績 x 。

器材

免洗竹筷一雙 油黏土11克×3 線 小刀或美工刀 剪刀 筆 尺 寶特瓶(練習轉動陀螺用)

活動二:陀螺的疊羅漢

本項活動是竹片陀螺與吸管陀螺的疊羅漢,竹片陀螺與吸管陀螺均要事先製好,現場不再製作, 競賽時要換裝大會提供的油粘土。

製作

  1. 以可彎吸管 5 支,免洗竹筷 1 支,及油粘土製作如 圖1-2 與 圖1-6 中的吸管陀螺。
  2. 本項製作,限定只用上述材料, 各接點可參考圖 1-2 所示,要以在吸管打洞的方式相接, 不可用黏膠、線或鐵絲綑綁,或其他材料來固定或相接吸管與竹筷, 但可將竹筷削成竹針或竹籤使用。
  3. 切取一段竹筷子約 9~10 公分長,作為轉軸,其一頭可以削鉛筆器削成尖尖的(如鉛筆狀),另一頭削細後在頂上挖個小凹槽如圖 1-3,以便疊羅漢時承接頂上的竹片陀螺。
  4. 取一支可彎吸管,彎成約 45 度角後在彎曲的中央處以轉軸的尖頭穿一個洞,以便穿置轉軸如圖 1-4。
  5. 取一段吸管約 9 公分長,在中央處剪一個小洞,以便套穿轉軸。同樣在其兩旁對稱各剪一個小洞,作為陀螺的橫樑,以便套入吸管如圖 1-5。
  6. 用另外的兩支吸管接連可彎吸管的兩臂, 以加長兩臂,然後套上吸管橫樑如圖 1-6。為了強化陀螺,得用數支吸管橫樑,或在吸管橫樑中穿一細小竹籤,可在吸管相連處插入細小竹針以防相連吸管脫落。
  7. 油粘土限兩大團,總重不超過 44 克,而整個陀螺的重量不超出 48 克。
  8. 陀螺兩臂的吸管均可相接加長,但各臂長不得超出25公分,在吸管末端要插入一細小竹棒,以防旋轉時油黏土脫落。
  9. 竹片陀螺的規格與製法如活動一。【圖 1-3】吸管陀螺的轉軸 【圖 1-4】竹筷轉軸套進可彎吸管

競賽

  1. 吸管陀螺的轉動竹片陀螺要架在吸管陀螺上,用手轉動吸管陀螺。兩個陀螺必須反向轉動,從選手本人手離陀螺,即開始計時(選手自行按馬錶後,將馬錶交給評審,以便判定轉動終了時按停錶)。
  2. 各隊準備兩套疊羅漢及竹片陀螺,每套各競賽二次,分別取各套轉動較久的一次,合計兩套的轉動時間後排序,依六等第計分法給分,得成績 y。
  3. 選手們應事先勤加練習,如何反向轉動兩個陀螺,使其平穩反向轉動不掉落,同向轉動即視同失敗,不得請求重作。

器材

油黏土55克 兩組 竹片陀螺及吸管陀螺(可彎吸管5支、免洗竹筷一支)各兩套 小刀或美工刀 剪刀 筆 尺 寶特瓶(練習轉動陀螺用)

時間

製作時間(含說明及領材料):30分鐘 評審時間: 30分鐘

評分方法

  1. 活動一的成績(x)加上二倍活動二的成績(2y)後得 z:x+2y=z2.依z的高低排序後, 再以六等第計分法(見表一)計分與名次,分數最高的隊伍頒發單項競賽優勝獎(若分數相同時以活動二得分高者獲得,若分數再相同時以抽籤決定)。
  2. 本項競賽兩小無猜之得分與另外三項競賽成績相加後, 依成績高低排序後, 總成績高者,依序頒發大會獎(總成績相同時,依序以兩小無猜、拋石器、水上浮塔及會排水的喝水鳥之得分為評比的標準)。
  3. 活動三的評分方式, 依整體創意 50%、功能 30%、美觀 20%等特色評分, 得分最高的隊伍,頒發創意獎。此項評分獨立計算,不列入總成績內。

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