2013年2月15日

科學玩具-運動學-轉輪遊戲組


家裡曾經有過寵物鼠的夥伴們,十之八九都會在鼠籠裡安裝可以讓牠們運動的裝置,像是樓梯、滑梯或是腹式滾輪,主人期待的就是在百般無聊之餘,可以看到牠們可愛的模樣,而寵物們期待的就是在不知何時可以脫離牢籠時,可以鍛鍊身體,以免越吃越腫。

後來在逛數字商店玩具區的時候也看到這種玩具-轉輪遊戲組,只不過主角從寵物鼠(差點輸入為滑鼠)換成具有機械動力的車輛,一樣是可以在輪子裡奔馳的。透過能量的轉換就可以做相對運動,而且可以探討牛頓第三運動定律槓桿原理
除了火車頭造型以外,還有其他車輛的形式
從它輪框上的「Ride on the wheel」的英文字樣,應該不難猜到怎麼玩

事實上,火車頭下的輪子是不會轉的裝飾物,那麼它要怎麼運動呢?透過食指和拇指在白色齒輪上給予順時鐘力矩所造成的旋轉效應,將手所做的功透過連桿傳送並儲存在車殼內的彈簧上。
火車頭中間的白色小齒輪就是作功的位置
鋸齒狀的突起可以增加手與齒牙之間的摩擦力,方便轉動

如果只是講到這樣,那可能只有看到這個玩具的第一層價值。那它的第二層價值在哪裡?其實就是剛剛有提到過的牛頓第三運動定律以及槓桿原理。作用力與反作用力?在哪裡?不如思考一下輪框為何會運動吧!
火車頭並非均勻的造型,較重的零件集中在下半部,所以質量當然分布不均
當重心是在支點的正下方時,系統比較容易達到平衡

當放開玩具時,原本儲存的彈力位能透過形變被釋放出來,因此會使得火車頭採以逆時鐘方向旋轉,但此時它並不是在平整的軌道上,而是沿著輪框的內部作圓周運動。

但是當火車頭欲作逆時鐘轉動,相對的就會給予輪框順時鐘的運動趨勢,這就是作用與反作用的關係,只不過由國中探討的線性運動延伸而成圓周運動。再加上火車頭欲逆時鐘運動時,會使重心移動到支點右側,更容易使整組玩具就會向右邊滾動出去。
火車搭配鐵軌造型的輪框,顯得天經地義
而背面的紅色小突起,位於中央軸心位置,輪框水平放置時可充當支點

輪框大小不一的設計,使得它還有立起來和躺下去的玩法

不過,也不是一直衝衝衝,全程跑直線給玩家追哦!軌道旁兩個框的外徑不相同,所以輪子並非平貼在地面上,而是傾斜的。一旦傾斜,相同時間的內外框運動距離(rω)就會不同,使輪子同樣沿著圓形軌道運動,不用玩家費心,它自己會回來的。
後來在海生館的禮品區地上某個角落也看到哈姆太郎造型的滾輪組合
不過沒有包裝(顯然被拆開玩過),夾雜在其他不搭的禮品內,顯然乏人問津

記得社群中的張老師也曾經買一組,而且是在台東看到的。他說,因為我的部落格,所以他現在有到便利商店時,都會刻意繞到玩具區那邊去看一下呢!

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