2013年2月21日

科學玩具-磁學-旋轉音樂鈴


兩年前的放鬆之旅中,和家人逛到紙箱王時,除了觀賞紙藝與LED融合變化之外,也在禮品販賣部買下這個唯一的禮物,是給女兒的紀念品。它叫做旋轉音樂鈴,是飛行男孩女孩的造型,男孩捧著花束開著飛機,女孩高興得旋轉起舞,看到第一眼的當下就決定將它帶回家,雖然所費不貲,但就是覺得喜歡。
放(藏)了半年後,終於被女兒發現了,當然是跟我一樣很喜歡音樂鈴
只是當時一歲多的小手還不不太會使力,所以都是我轉給她聽

既然稱為音樂鈴,那就必定有音樂。在它厚實的底座中,包覆著一組金屬機芯,利用旋轉軸上的凸點來撥動長短不一的金屬片,進而發出「Always In My Heart」的美妙旋律。每次女兒要聽的時候,就會說:「爸爸,轉轉~」,不管怎著樣都會放下手邊的工作,陪她一起聽。
不過吸引女兒的,除了音樂旋律以外,還有檯面上的小玩偶
好奇的她總是會張著圓圓的眼睛盯著轉動中的小玩偶

兩歲的女兒已經知道我怎麼讓它發出聲音
所以也嘗試著自己轉轉看,轉動之後也高興地看著自己努力的成果

其實仔細一看,兩個小玩偶一個會轉一個不會轉,這跟它們的造型無關,而跟底座形狀有關。開著飛機的男孩不能也不應該旋轉,機身底部是完整而平坦的貼住檯面,而閉著眼睛捧著愛心的女孩的底座是圓弧面,與檯面的接觸點只有一個,這就是旋轉的秘密所在。
開著飛機如果會水平旋轉,那是多麼奇怪的一件事啊
男孩理智+浪漫,讓女孩在星月的圍繞下開心起舞就夠了

小玩偶在運動過程會有轉動現象,主要是因為作用在玩偶上的合力矩不為零。在整個厚實的底座中,除了音樂機芯以外,還藏著兩塊作圓周運動的小磁鐵,一塊吸引著男孩與飛機,另一塊吸引著女孩,當音樂一出,內部的連桿也讓磁鐵在檯面下移動著(但不是旋轉哦!)。

整個過程中,都是超距力中的磁力在玩把戲。檯面下的磁鐵在底座中移動時,會吸引著檯面上的磁鐵一起移動。那麼,在吸引過程裡為什麼女孩會出現轉動的現象呢?其實關鍵在於女孩底部的磁鐵與檯面下的磁鐵並未平行哦!

旋轉音樂鈴磁鐵偏向與配置示意圖兩個磁鐵在右側隔著一層檯面玻璃相互貼近,磁鐵彼此的吸引力大於左側,是因為距離較近的關係。較大的磁鐵吸引力連帶增加了磁鐵與檯面的垂直正向力,不過也同時增加了摩擦力,使得兩塊磁鐵會緊緊牽引著彼此的右側不易移動,在這裡便形成了旋轉時所需要的支點。

若支點在右側,那左側呢?當下方的藍色磁鐵移動時,在上方的紅色磁鐵會被拖著邊移動邊旋轉,是合力既不為零,合力矩也不為零的現象。距離較遠的左側吸引力小,摩擦力也小而較易移動,使得磁鐵左側邊移動邊繞著右側支點旋轉,因此利用磁力來形成力矩,示意圖中的紅色磁鐵便會旋轉起來,只不過因為磁鐵移動的關係,所以支點並不固定,且形成線型軌跡。
不過問題來了,旋轉方向呢?是順時鐘還是逆時鐘?這還跟檯面下的藍色磁鐵移動方向有關,當藍色磁鐵運動方向相反時,上方紅色磁鐵的轉動也會改變。若藍色磁鐵往前方移動,支點在右側,紅色磁鐵會以順時鐘方向旋轉,就如同人的右手緊抓著鋼管然後前進般;若藍色磁鐵往後方移動,支點仍然在右側,紅色磁鐵會以逆時鐘方向旋轉,就如同人的右手緊抓著鋼管倒退嚕!
女兒也對這組啄木鳥很感興趣,書房也是遊戲房
只不過這個遊戲房裡有大朋友也有小朋友,是我和兩個小孩的天地

利用同樣的原理,我也做出了磁來運轉(魔術棒和吸管版本)可以讓原本推的時候是順時針轉,拉的時候是逆時針轉,但下一刻同樣是推的動作卻成了逆時針轉,用拉的反而是順時針轉,與原先狀況相反。更耐人尋味的是中途可以變換旋轉方向的進階版技巧哦!

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