竹筷拋石器

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緣起

  • 在火炮還沒發明之前,攻城最有利的重型武器就是拋石器(投石車)了。試想,古時候兩軍交戰時,戰敗的一方只要躲進堅固的城牆裡,把厚重的城門緊緊的關上,另一方軍隊憑著刀、槍、箭等武器也莫可奈何了。這時若能把幾十公斤重的大石頭砸進城牆裡,或是能把熊熊的火球拋進城牆裡,想必可以造成城內的一片混亂。拋石器就是在這樣的需求之下被設計出來了。在中外歷史的不同時代裡都有這方面的記載,只是不同的設計有不同的名稱,但是主要的原理卻是大同小異的。
  • 設計本項科學趣味玩具以簡單易取得的竹筷、橡皮筋、湯匙為材料,以橡皮筋的彈力為動力(這是古時候的軍事家所沒有的),應用槓桿原理,設計一個穩固、易操控的小型拋石器,來拋射乒乓球或紙團。想像一下古代戰場,模擬一下攻城掠地的情形,而拋石器能夠把「砲彈」拋得遠、投得準應該是最重要的要素吧!所以您所製作出來的拋石器還要不斷的調整、修正甚至拆掉重做,以期能發揮最佳效果。當然,在不斷的修正當中,除了嘗試並累積經驗之外最好能思考相關的原理,一邊做、一邊想、一邊體會,以收「玩中學」之效果。

主要的科學原理

  • 力學能轉換:被拉長的橡皮筋儲存有「彈性位(勢)能」,釋放時,橡皮筋對竹筷作功,轉換成「動能」拋出小球。
  • 槓桿原理:拋射桿繞著支點旋轉,彈力則提供作用力,當力臂愈大時,所產生的力矩就愈大。
  • 拋體運動: 物體被拋出瞬間的初速度與方向就已經決定運動軌跡。初速度愈快,再配合適當的角度,可以把物體拋得遠。
  • 其他尚可考慮作用力與反作用力定律,及其他力學及運動學原理,以達到最好的效果。

科學趣味競賽

需要的材料

  • 大會提供

免洗筷8雙、橡皮筋25條、塑膠湯匙4支、乒乓球5顆。

  • 可替代的材料
    1. 可以一張B4的紙作成紙團(造型可自由發揮),並限以一條橡皮筋綑綁,來代替乒乓球。
    2. 可用竹竿或童軍棍代替竹筷,以繩子綑綁,作成大型投石器,以人力或彈力發射來投射水球,可進行兩軍對陣之戶外遊戲

競賽方式

  1. 以大會提供之器材,製作一組或數組拋石器(圖2-1僅供參考),進行活動一及二的競賽。
  2. 筷子需保持完整,不可以破壞(包含:削片、折斷及刻痕),乒乓球不得改造及加裝任何物品。
  3. 拋石器必須置於地面上發射區內(邊長60公分的正方形內)進行拋射,不得以任何方式固定於地面,並藉彈力經拋射桿將乒乓球拋出。。
  4. 發射時,得以單手扣住拋射桿,如圖之A點而後釋放,但不得扶持拋石器其它部份。
  5. 只要出手就算一次發射機會。
  6. 因安全的考量,各組只能在主辦單位規定之區域及時間內進行試拋。

竹筷拋石器示意圖01.gif

競賽項目

活動一:拋遠比賽

  1. 乒乓球著地點須距離發射點3公尺以上,且在30度夾角範圍如圖2-2內,方為有效球,超出範圍者不計分。
    竹筷拋石器競賽場地示意圖.gif
  2. 每組有5次發射機會,取其中較遠的3次距離相加為總距離。依總距離的遠近排序後,以六等第計分法計分(如表一)。若總距離相同者,參酌單次距離最遠者排序在先。
  3. 拋射全部過程必須在規定時間3分鐘內完成,逾時不得繼續拋射(已拋出者照算)。

活動二:拋準比賽

  1. 在地面設置數個(至少5個)不同距離的區域作為目標靶,如圖2-3。
  2. 各隊於發射前抽籤決定指定目標靶之射擊順序。
  3. 每支籤內均指定5個不同距離的目標靶代號順序。
  4. 在正式拋射前可試射2球作為校準之用,但正式拋射前必須向裁判聲明。
  5. 包含試射、調整、正式拋射全部過程必須在規定時間3分鐘內完成,逾時未拋出者以0點算(已拋出者照算)。
  6. 給分方式:
    1. 依照籤上之順序將球拋入指定之目標靶者,每球給20點,若未拋入指定之目標靶而拋入相鄰目標靶者給5點。其它得0點。
      「例如:籤上順序: (丁 甲 戊 乙 丙),而實際拋中:(丁 戊 戊 靶外 乙),則分別給: (20 0 20 0 5)點。共得45點」
    2. 依所得點數排序後,以六等第計分法計分(如表一)。若總點數相同者,參酌20點次數最多者排序在先,若仍相同則抽籤決定先後。

時間

  • 製作時間(含說明及領材料):30分鐘。
  • 評審時間:30分鐘
  • 共60分鐘

評分方法

  1. 分別將活動一及活動二的成績依高低排序後,採六等第計分法(見表一)分別計算活動一及活動二的得分。
    [表一]六等第計分法
    名 次
    隊 數1361015其他
    得 分3021151296
  2. 將活動一及活動二的得分相加,再依成績高低排序後,採六等第計分法計算得分與名次。分數最高的隊伍頒發單項競賽優勝獎,若分數相同時以活動一得分高者獲得,若分數再相同時以抽籤決定。

迴響

本項目由於製作容易,材料簡單、易取得,製作者很容易可以把自己的構思做出來。因此,在全國各地的比賽及許多研習活動中,各式各樣造型的拋石器不勝枚舉,件件有其獨到之處,雖然並非每一件的投射效果都很好,但每一件都有製作者的一段思考過程。

配合的學校課程

  • 拋石器可列為環保教育之活動:回收免洗筷、湯匙、橡皮筋、廢紙就可製作拋石器。
  • 拋石器適合的對象極廣,不懂原理的小學生可以在操做中體會一些現象;國中生、高中生也都可以做一些或深或淺的原理應用。
  • 與拋石器相關的原理極廣:槓桿原理、橡皮筋串並聯、控制變因、三角形結構強於四邊形、底面積與穩定性、力矩、轉動慣量與角加速度、角速度與切線速度、拋體運動、圓周運動之向心力、空氣阻力與飛行物形狀、作用力與反作用力、能量之轉換及效率、摩擦力之影響、伯努力原理等。
  • 另外,拋石器可當作童軍課程營地繩結之應用,甚至設計成遊戲。

競賽、園遊會、週休二日規劃應用情形

拋石器除了進行以上比遠、比準之趣味競賽之外,尚可進行以下型態之活動:

水炮對陣:

  • 場地:約如籃球場大小,兩方人馬各據半邊場地。自行決定在場地內三個不同位置地面上畫圓當作炮陣地(圓之大小自行決定)。
  • 器材:每隊等量的竹竿或童軍棍、繩子、水球及三支杓子、工具自備。
  • 人員:每個炮陣地4人,每隊三個陣地共12人。
  • 玩法:
    1. 畫好場地、領完器材、所有人員器材都必須進入炮陣地內,遊戲開始。
    2. 參賽者必須盡快建造拋石器(水炮),以人力發射並將水球拋向對方。
    3. 水球命中對方人員者得3分;命中炮陣地或拋石器者得1分。
    4. 人員被水球擊中或腳踩出炮陣地者,該員淘汰出局。
    5. 水球投出且著地後若未炸開,撿到者可拿來使用。
    6. 同一炮陣地(含地面、人員、拋石器)被擊中3次就算被摧毀了。
    7. 拋石器接觸地面的部分也不得超出炮陣地,超出者算對方得1分且須馬上修正。
    8. 某一方的砲陣地全被摧毀便算輸了。若比賽時間終止或雙方水球都已用完,則統計得分以分出勝負。
    9. 若場地夠大,本項比賽可擴充成數隊同時對陣,以抽籤選場地,可加入邦聯、敵對之外交策略。

高球賽:

  • 場地:一般操場大小,在三個不同位置地面上畫直徑約1公尺的圓球洞
  • 器材:同趣味競賽,每人製作一部拋石器、使用一顆乒乓球或彈性小球。
  • 人員:可多人進行,輪流發射。
  • 玩法:
    1. 如高爾夫球之玩法,所不同的是以拋石器拋射乒乓代替揮杆擊球。
    2. 比依序進(或滾過)三個球洞所須發射的次數,次數愈少成績愈高。

愛的叮嚀

  • 以竹筷子或竹杆製作拋石器時,要小心不要被竹子的纖維刺到。應盡量避免皮膚緊靠並滑過竹子表面。
  • 不得以拋石器拋射石塊或有尖角的硬物,以免不慎傷人。

動動腦

  • 在還沒有發明橡皮筋之前就已經有拋石器之類的大型攻城武器,想想看當時的拋石器可能利用哪些動力來發射大石頭?又當時拋石器可能設計成什麼樣子呢?
  • 試著以筷子、橡皮筋(只作綑綁之用,不可作為拉動拋射桿之動力)、湯匙、重物(產生動力之用)作一個「重力拋石器」玩玩看。裡頭又有一些不一樣的科學原理,很有趣喔!

科學名詞及相關課程重點

槓桿原理、彈簧串並聯、控制變因、穩定性、力矩轉動慣量角加速度、角速度、切線速度、拋體運動、圓周運動、向心力、作用力與反作用力、能量之轉換、摩擦力、伯努力原理等