啄木鳥玩具

出自 全民科學平台
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原作者:謝迺岳
關鍵詞:轉動慣量,能量轉換,防震設計
同義詞:小雞啄米,消防員玩具
附影片:啄木鳥玩具
市面上有一種童玩稱為啄木鳥,是在一根直立的氣球棒上,有一隻下降時會振動的「鳥」。我們可以自製啄木鳥玩具,並探討這隻「鳥」的行為。

探究問題

a. 為何玩具啄木鳥會振動?
b. 啄木鳥的振動頻率與那些因素有關?
c. 市售啄木鳥玩具的每一個零件有什麼作用?
d. 啄木鳥玩具有何應用價值?

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。

結果與討論

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。

參考資料