平衡鳥玩具

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
    長竹籤(40cm),塑膠球(直徑4cm),油粘土(20g),竹筷(20cm)
  2. 製作
    把三支長竹籤貫穿塑膠球,在同一個平面上且成輻射狀;把油粘土揉成兩顆小球,分別粘在兩支竹籤的尾端;這個裝置即稱為平衡鳥玩具。
  3. 操作
    把一塊粘土製成三角錐並粘在桌上,又把一支竹筷插在粘土上成為支架。把平衡鳥的嘴尖(無粘土的竹籤尖端)放在竹筷的頂端,使平衡鳥保持水平而不倒。
  1. 猜測:使鳥嘴變長(把第三支竹籤往前伸),鳥的身體會站起來還是倒下去?猜測後再實作並記錄。
  2. 猜測:使鳥翼變輕(把兩塊粘土的質量各減少一半),鳥的身體會站起來還是倒下去?猜測後再實作並記錄。
  3. 猜測:使鳥翼張開(把兩翼竹籤的夾角擴大)鳥的身體會站起來還是倒下去?。猜測後再實作並記錄。


結果與討論

平衡鳥在平衡時,重心在支點(鳥嘴)的下方。類似掛在竹竿上的衣架,在輕微晃動時重心會升高,但是重力力矩會使重心往原來的位置移動,而回到原來的平衡狀態,因此稱為「穩定平衡」。本探索中的實驗可以量化;例如使鳥嘴變長的操作中,把竹籤每次推動1.0cm;或使鳥翼變輕的操作中,使兩塊粘土每次都減少相同的質量,以使實驗更為精確。

  1. 鳥嘴變長時,重心會升高,鳥將倒下且平衡趨於不穩定。
  2. 鳥翼變輕時,重量減輕了且重心會升高,鳥將倒下且抵抗外力矩的能力降低。
  3. 鳥翼張開時,重心會升高,鳥將倒下且平衡趨於不穩定。

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:學生能認知物體在平衡時,重心愈低愈易保持平衡。重心若在支點的下方,更容易維持平衡狀態。
  2. 技能上:鼓勵學生動手做,體會定性或簡單的定量實驗、認識相關的科學現象與原理、使用簡單的工具與操作流程,引起學習動機而讓學生更喜歡科學。
  3. 情意上:使用身邊的器材與回收品,能讓學生重視環保議題與生活應用。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。親子活動中,大人與孩童可以相互觀摩或競賽,讓人際關係更和諧。

應用

  1. 在科學:作為重心主題之探索活動。
  2. 在科技:衣架、天平與懸臂吊車,都是平衡鳥的應用實例。
  3. 在藝術:紙牌、細鐡線與吸管都是很好的

材料,用於設計平衡鳥很療癒,送禮自用 兩相宜。

參考資料