平衡鳥玩具

市面上有一種玩具：一隻鳥以尖嘴頂住一根桿子的頂端，鳥竟然能夠保持水平平衡。輕輕觸碰鳥的身體時，鳥兒只是微微晃動，並不容易傾倒，實在是太神奇了。

探究問題

a.平衡鳥保持平衡時，受到幾種作用力？平衡鳥的重心在那裡？

b.使用身邊的材料，我們如何設計平衡鳥造型？

c.平衡鳥的原理在生活中有那些應用呢？

實作項目

1. 材料
   細鐡線（22cm）、油粘土（20g）、氣球棒（40cm）
2. 製作
   在一根氣球棒上，用細鐡線的一端繞四圈形成一個彈簧，鐡線的其餘部分須垂直氣球棒。把粘土分為7:1的兩份，大塊粘土揉成圓錐；作為氣球棒的底座並粘在桌上，小粘土再分為三等分並揉成小球。
3. 操作
   調整氣球棒上的彈簧鬆緊度，使啄木鳥從氣球棒頂端降落至底座期間振動超過十次。解釋啄木鳥振動的原因、持續振動的能量從何而來、和啄木鳥下降期間的速度變化原因。
   1. 猜測：把一顆粘土小球加在鐡線的尾端後，啄木鳥振動的頻率將如何變化？增加小球的數量時，振動頻率又會如何？猜測後再實作並記錄。
   2. 猜測：不使用粘土小球，把長鐡線對折後，啄木鳥振動的頻率如何變化？把鐡線再對折一次，振動頻率又會如何？猜測後再實作並記錄。
   3. 猜測：市售的啄木鳥玩具，在氣球棒頂端的小球有什麼作用？觀察自製的啄木鳥玩具當鳥兒下降時，氣球棒頂端的晃動情況，然後將粘土小球逐一粘在氣球棒頂端再作比較。猜測後再實作並記錄。
      

分析與結論

以三個粘土小球與對折鐡線三次的方式，探討「轉動慣量」如何影響啄木鳥的「振動頻率」，是一種簡單的定性實驗。如果希望更為精確，可選用小鐡片來代替粘土小球。

1. 由細鐡線繞成的彈簧形成一個螺旋形的管子，套在氣球棒上。當鐡線振動時，某些時刻彈簧會卡住氣球棒，此時摩擦力等於啄木鳥的重量，使啄木鳥暫時停止移動。由於鐡線的末端仍在振動，因此會使彈簧擺正而與氣球棒不接觸，啄木鳥便因重力影響而向下墜落。
2. 把粘土小球加在細鐡線的末端時，會增加鐡線的轉動慣量，也就是慣性增大而使啄木鳥振動的頻率變小。反之，把長鐡線對折後，鐡線的轉動慣量變小而使振動頻率變大。調整鐡線的長度、重量、和質量的分佈，就可以控制啄木鳥依照我們期望的頻率來振動。
3. 當啄木鳥下降時，氣球棒頂端會劇烈搖晃。如果在氣球棒頂端粘貼重物，較大的慣性會使氣球棒的振動頻率減少，且搖晃幅度降低。
   

教學目標

本活動適合K~12的學生，在社區大學對各種年齡與教育程度的學員實施時也饒有趣味。

1. 知識上：學生認識能量轉換的現象。當啄木鳥下降時，重力位能轉換為動能，動能又因振動而轉變為熱能。由於重力位能源源不絕的供給，啄木鳥就能夠不停振動。
2. 技能上：鼓勵學生動手做，體會定性或簡單的定量實驗。使用簡單的工具與操作流程，讓學生更喜歡科學。
3. 情意上：以童玩引發學習動機。使用身邊的器材與回收品，重視環保議題與生活應用。

應用

1. 在物理上：作為運動學、能量轉換、轉動慣量等主題之探索活動。
2. 在科技上：作為建築防震。例如台北101大樓的阻尼球及中國宮殿的斗拱，都有在建築物頂端加重的設計。
3. 在藝術上，可以把細鐡線彎折成鳥形或愛心，或在鐡線末端貼上可愛圖片，是很好的療癒設計，送禮自用兩相宜。
4. 用棉線代替氣球棒，藉著拉緊或放鬆棉線，可以控制啄木鳥的落下速度。若把鐡線衣架展開再繞成圓環（兩端用氣球棒連結），可以讓啄木鳥持續振動很久。