平衡鳥玩具

出自 全民科學平台
於 2020年10月19日 (一) 07:03 由 彰師大 (對話 | 貢獻) 所做的修訂
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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)
  1. 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。
  1. 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。

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。

參考資料