用衣架玩科學

出自 全民科學平台
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古人在晾衣服時,會把衣服披在石頭上,或用竹竿穿成一串吊起來。有人發明了衣架,增加了晾曬範圍與通風空間,而且更好收納!但是衣架只能用來吊衣服嗎?把衣架作其他用途時,創意又開始醱酵了!很多小孩都被衣架打過屁股吧,所以媽媽們都很有創意!衣架也是個很好的「不求人」-抓背器,用來按摩肩頸穴道也不錯,試試看就知道衣架的勾子真的很好用。


用鐡線與塑膠製的衣架更是大發明,不但耐用,還可以折出各種造型。例如新潮衣架掛襪子不須夾子,環保又實用!彎折的衣架作為武器,可勾、套、擲;製成叉子用來夾脖子或戳鼻子,更是威猛!把鐡線衣架彎成圓環,可以當成套環、飛盤或滾鐡圈;把它扭成投石器或彈弓,不但可玩還能用來探索科學原理喔!

圖一:頭上手上都是衣架,真好玩。
圖二:鐡線衣架可彎成新潮造型,
掛襪子吊衣服都不會被風吹掉。

一、靜力平衡

圖三:用衣架做皇冠,帥吧!
圖四:用衣架和吸管做平衡鳥,
可站立或躺平喔!
圖五:在衣架上用三條線吊著夾子
,可用念力控制夾子擺動!
圖六:用衣架自製一具天平,可以秤
東西做買賣喔!
  1. 奇幻平衡鳥
    • 把鐡線衣架的框框折成V字型,再把勾子拉直並套上一支吸管,再在吸管中插一支竹籤,使竹籤前端露出V字型的中央處即成。把竹籤的前端放在指尖,衣架會站在指尖上方,稱為單足平衡小人;這時,整組裝置的重心會在支點(指尖)下方。把竹籤伸長一些,使衣架成為水平狀態,就形成平衡鳥了;猜猜看,這時整組裝置的重心在那裡呢?
  2. 念力擺
    • 在衣架上綁三條棉線,在線尾分別夾一個衣夾形成單擺。手握衣架上方,輕輕搖動衣架,可以使長短單擺依我們的指揮各自動。
    • 不知情的人會以為我們有念力,其實短線單擺的週期短,長線單擺的週期長;所以只要依照單擺的自然頻率輕輕搖動衣架,形成共振,就可以表演魔術囉!
  3. 魔術天平
    • 天平是用來稱量質量的工具,我們自己做一具天平吧!在衣架下方的鐡線上,用筆畫七條線,平分鐡線成八個區域。把鐡勾彎成小圓環,在圓環下端綁一條棉線與一個衣夾,然後用一支筆支撐小圓環,當棉線自然下垂時必須通過平衡點(七條線的中央線),這條棉線稱為鉛垂線。
圖七:衣架投石器威力大,打小強
百發百中!
圖八:隨身帶支衣架,可以掛在桌邊
作吊勾。
圖九:大家來比賽,誰的青蛙跳得
最遠或最高!
圖十:我們的子彈會轉彎,你別跑!
    • 另外用兩條棉線綁在衣架下方的鐡線上,每條線的下端各夾一個衣夾。把兩條棉線移到中央線的左右相等距離處,觀察衣架是否仍然保持平衡(鉛垂線通過中央線)。
圖十一:用衣架射吸管箭,真的很
遠喔!
圖十二:用衣架做筷子槍,打橡皮筋
可以四連發,如果用來射吸管箭,更
是百步穿楊!
圖十三:衣架變身三腳馬後,會跑步
還會自動剎車喔!
圖十四:我們自製的三輪車,用手拉
車最拉風!
    • 接著在左右兩條棉線上,掛不同數量的衣夾,並移動兩條棉線的位置,使鉛垂線能回到平衡點。記錄左右兩條棉線到衣架中心點的距離,把衣夾的數目乘以距離,兩側的數值應該相等,因為它們形成了「力矩平衡」。
    • 想要秤一個物體的質量時,把待測物掛在左邊的棉線上;然後在右邊的棉線上增加衣夾,並移動棉線使衣架達到平衡,就可以算出待測物相當於幾個夾子的質量了。

二、彈力

  1. 無敵投石器
    • 把鐡線衣架的框框由兩側往中央彎折,放在地面就成為投石器了。把一個瓶蓋放在勾子上並往後拉,釋放瓶蓋時它會飛得又遠又高。
      圖十五:轉衣架的時候,衣架上的硬
      幣真得不會掉欸!
    • 投石器是運用彈力的玩具,可以用來研究把瓶蓋射得遠或射得高的方法。通常把勾子向下壓得愈深(愈用力),釋放後瓶蓋射出去的速度會愈快;如果瓶蓋離開投石器時的仰角愈高,瓶蓋就能彈得愈高。若要射得遠,瓶蓋離開投石的水平仰角大約為45°;但是把投石器放在桌面上發射時,仰角要小一點,因為離地愈高,瓶蓋飛行的時間愈長,本來就可以射得很遠!
      圖十六:滾鐡圈不只是童玩,更有高
      深的科學與人生道理喔!
    • 如果從桌面發射,或把投石器套在手臂上發射,可以射到20公尺遠!如果在瓶蓋中塞一些粘土,使瓶蓋加重,減少空氣阻力的影響,可能射得更遠喔!
  2. 神奇掛勾
    • 把投石器夾在桌邊,使勾子垂在桌下,就成為一個掛勾了。太太媽媽小姐到餐廳時,往往不知道包包要放在那裡;有這個方便的掛勾,包包就不會弄髒囉!</div></div>
  3. 神奇掛勾
    • 掛勾的原理是「力平衡」。原來掛勾受到重力與桌子的支撐力,兩力大小相等、方向相反又在一直線上,就抵消了(合力為零),所以掛勾不會上下移動。又,掛勾也形成了「力矩平衡」;原來對掛勾的彎折點(桌緣)而言,包包的拉力使掛勾順時針轉,桌子的支撐力使掛勾反時針轉;兩方向的力矩相等而反向時,掛勾就不會動啦!
      圖十七:衣架做的飛盤,可以有各種
      顏色和造型,比比看誰的飛盤最酷!
  4. 九轉跳蛙
    • 哲學家說:蹲得愈低,跳得愈高!把投石器下方兩側的鐡線折彎,它就變成一個跳蛙了。把跳蛙放在地上,用一根手指壓住勾子與框框的連接點,釋放後,跳蛙就會跳高高。
      圖十八:用衣架做彈射飛機,和老師
      一起飛翔吧!
    • 看看誰能讓跳蛙跳得最遠,或讓它跳得最高;又是否能使它在空中翻一圈再站立起來。目的不同時,蛙腳的設計都不同,壓的力道也要跟著調整。能隨心所欲使蛙跳動,你就成為小小工程師囉!
      圖十九:大家來射衣架噴射機,我的
      最美、飛得最高。
  5. 我的子彈會轉彎
    • 把一支鐡線衣架彎成叉子,太太媽媽小姐可以用這個叉子來瘦臉,也可以用它來夾水果。而小朋友手握勾子,衣架就變身成為彈弓了。
    • 用鬆緊帶作為彈兜,兩端分別串聯二條與三條橡皮筋;再把這一串橡皮筋綁在叉子的兩端,彈弓就成形了。在彈弓兩側使用不同數量的橡皮筋,目的是要觀察子彈的軌跡。
    • 把一顆乒乓球放在彈兜中發射,這個子彈會轉彎。原來彈弓兩側拉力不均時,會使乒乓球自轉,在前進時帶動球面上的空氣;依照伯努利方程式的描述,球的兩側有壓力差,所以球就往壓力小的一側轉彎了。
    • 這種彈弓可以聲東擊西,專門對付躲在柱子後面的蟑螂。蟑螂嚇到後會互相走告:這一家人太厲害了;於是蟑螂們會全部搬家!
  6. 超強十字弓
    • 只用衣架就可以做一張十字弓;把衣架捲成麻花,搭上吸管箭,就可以射十幾公尺遠了。原來藉著鐡線本身的彈力,箭射得不遠;但是把鐡線縮短,彈力常數增加,威力更增。但是把鐡線縮得太短,射箭前無法拉開弓,不能對箭作功,也是射不遠的。可見人造的東西都有「最佳化」,這個狀態因人而異,請找出最適合自己的十字弓製法吧!
  7. 多功連發槍
    • 你敢拿槍到警察局門口炫耀嗎?帶這把槍去,不但警察不抓你,還會來向你買;原來這是具有多功能的連發槍,是21世紀的最新產品喔!
    • 在衣架下方的一側鐡線上,用橡皮筋綁一雙筷子作為板機;在筷子的另一端再綁一條橡皮筋,並把橡皮筋掛在勾子上,作為保險。在衣架的另一側,用膠帶綁粘一支粗吸管作為瞄準器;又在瞄準器前端,用剪刀剪一個缺口,可以掛多條橡皮筋作為子彈。
    • 這種衣架槍比筷子槍簡單,原來利用衣架的結構,省去綁筷子的麻煩,更不用擔心筷子槍會解體。
    • 在板機的兩支筷子尖端各掛一條橡皮筋,把橡皮筋拉到吸管前端,就成為二連發槍了。又在筷子和吸管的中間處再綁一支冰棒棍,在棍的左右各掛一條橡皮筋,衣架槍就可以四連發喔!
    • 如果在槍頭上多綁一條橡皮筋,把橡皮筋拉長,套在板機的兩支筷子上,就可以發射吸管箭了。吸管箭的前端用粘土(或衛生紙沾水)加重,箭尾用剪刀剪成V字形,塞在吸管中,射出去後百發百中,用來對付蒼蠅十分有效,牠們也會嚇到搬家!

三、移動

  1. 懸崖勒鐡馬
    • 有一匹鐡馬,會自動前進,遇到懸崖會自動剎車,神奇吧!
    • 把投石器倒立放在桌上,就成為三腳馬。把三腳馬靠在桌緣,把一條線綁在馬頭上方,線的另一端用衣夾夾住成為重錘,懸垂在桌旁。把馬拉離桌緣,試著把衣夾一個一個加在重錘上,直到馬開始滑動。說也奇怪,馬滑到桌緣就自動剎住了。
    • 這個活動稱為懸崖勒馬,可以用各種材料製成各種形式,相同的目標是要停在桌緣,而且離桌緣愈近愈好。三腳馬會起動並剎停的原理,是水平拉力與摩擦力的抗衡。
    • 馬在移動的過程中,線上的張力是固定的;但是在起步時,馬受到的水平拉力大於摩擦力;而在剎停前,水平拉力小於摩擦力。
    • 水平拉力是線上張力的水平分力;在馬移動時,線與桌面的夾角愈來愈大,所以水平拉力愈來愈小;而摩擦力與線上張力的鉛直分力有關,在馬移動時,線與桌面的夾角愈來愈大,線上張力的鉛直分力增加,使得摩擦力也變大。所以,在我們的加持之下,三腳馬似乎有生命,就能停在懸崖邊囉!
  2. 南瓜三輪車
    • 小女孩最喜歡帶誰去遛躂?小狗、猪、還是老虎?21世紀最炫的是遛三輪車!把衣架框框彎成ㄇ字形,就形成車架了。用一條橡皮筋把一根粗吸管綁在車架底端,用一支竹籤塞進吸管並刺穿兩顆乒乓球,就形成後輪;再把一顆乒乓球刺穿兩個大洞,套在勾勾上作為前輪,我們的迷你三輪車就大功告成囉。
    • 和朋友比賽,在斜坡上釋放三輪車,誰跑得快?還可以在車上增加重物當成老太太!車輪的前後軸距會影響車子行進的方向,而後輪的寬度更能控制車子的穩定喔!
    • 如果在車上加一張紙作為風帆,就不需要斜坡,而成為風帆車了;如果在車前加一條棉繩,手握棉繩拉著三輪車逛大街,一定讓所有人對你行注目禮,今天我最倩!

四、轉動

  1. 硬幣摩天輪
    • 看過火杯舞嗎?我的硬幣舞更搖擺!在衣架框框的下端放一枚硬幣,平衡後快速旋轉衣架,硬幣不會掉下來喔!原來這是向心力的作用,硬幣被衣架推著轉,形成鉛直面圓周運動的現象!
    • 成功的要訣是:在衣架下方要多綁一支竹筷,擴大接觸面積有利於硬幣平衡,又增加摩擦力使硬幣不會滑脫。轉動時,先左右搖幾下,維持轉動平面;然後把衣架迅速拉高,多作些功它才會轉起來。準備停止時,要把衣架往下移動作緩衝,延長施力時間可以減少加速度,衣架就能安穩地停住囉!
  2. 科技滾鐡圈
    • 古早童玩滾鐡圈令人回味無窮,從前的小孩們用箍住木桶的鐡圈來滾,還能繞操場跑幾圈喔。現代小孩打電動很強,卻少了和朋友一起在野外奔放的樂趣,也減低了強心健肺的體能鍛鍊!所以讓我們把一支衣架彎成一個圈圈,另一支衣架拉成直線,就可以玩滾鐡圈啦!
    • 初級版,是讓鐡圈依靠在鐡桿上,並與鐡桿接觸兩個點;高級版,是只有鐡桿的彎勾推動鐡圈。當鐡圈被加速轉起來後,它的角動量增加,就能維持前進方向了。這個原理如同單車的車輪,快速轉動時車子就不易倒了。

伽利略說過,所有的運動都可簡化為直線運動與圓周運動。讓我們一起來玩滾鐡圈,看看直線和圓圈能擦出什麼火花吧!

五、飛行

  1. 超殺飛盤
    • 把鐡線衣架繞成一個環,可以玩套圈圈,有誰自願當被套的靶子呀?拋出圈圈時必須快速轉動,增加了角動量,它就可以維持方向,套住靶了。
    • 在圈圈上套一個塑膠袋,把邊緣用膠帶貼住,就變成一個飛盤囉!如果製作時能讓圓圈中心略為寬鬆,則飛盤在下降時會被空氣撐得鼓鼓的,它就能滑翔很遠;這是伯努利方程式的應用,鼓起來的地方會產生低氣壓,可以提供升力讓飛盤緩緩下降。這個飛盤很容易製作,和朋友在操場中玩飛盤,不用花錢買唷!
  2. 夢幻彈射機
    • 用衣架也可以玩射飛機耶,沒想過吧!在衣架的框框上貼一張A4紙,再把勾勾拉直,前端折直角;用一支竹筷綁一條橡皮筋,就可以發射滑翔機了。
    • 滑翔機在飛行時沒有動力,是藉著翼面阻擋氣流而減緩下降的趨勢。所以衣架的框框必須張開一點,兩翼往上翹一些,才會飛得穩。
    • 看吧!衣架可以千變萬化,從靜到動、從直到圓、從地面到天上;我只能想到這麼多花樣,你一定可以設計得更多、更棒!

其他

  1. 為何衣架被設計成這樣?
  2. 衣架造形(船, 飛機, 動植物) 啄木鳥
  3. 一堆衣架談化學鍵
  4. 轉衣架, 轉身體, 談角動量
  5. 自轉滾動