2013年2月23日

科學玩具-運動學-閃光陀螺(摩擦驅動)


2005年有了這個玩具的時候,正值住家附近的「大陸玩具專賣店」生意最好的時刻,所以當初這一顆只賣20元,但是現在的價錢隨著販售地點的不同,從25元(小賣店)到50元(科X館),甚至高達100元(某風景區)都有,但是我已不為所動,因為根據明查暗訪,讓我逐漸知道哪一種玩具(或教具)去那裡才有平易近人的價格可以購入。
摩擦驅動的閃光陀螺,靠手來驅動
利用底部轉輪與接觸面的摩擦力來讓內部軸心旋轉

買了好幾顆這種閃光陀螺的原因,是因為這一類的電子產品是要留些備用存貨的。有時候因為種種不利於玩具的因素,會使得它的功能不再有效的發揮,而這類因素以「學生」為最大宗。電子類產品的換電池工作是小事,但是碰撞卻是大事。說真的,對於不是自己花錢所買來的東西,珍惜的那顆心會降到攝氏零下273度。
這幾張照片的拍攝時間已經三年以上了,在寫部落格前就拍好了
目前仍能正常的使用,原因為何?把每一件都當作寶物而已

一般來說,這種閃光陀螺都是在旋轉時才會發光,旋轉時的角動量是讓物體維持轉軸方向恆定的重要因素之一。所以玩的重點是在於如何讓它旋轉,各種不同的陀螺有不同的驅動方式,但大體而言,對陀螺所做的功越多,轉得就越久。

功怎麼作多一些?我們都學過WFS,也都知道功可以轉變成能量,所作的功越多,物體所具有的能量會越大。那如何讓所作的功大一些呢?調整FS就可以!但是對於小孩子來說,F不可能無限上綱,但作用距離(S)卻可以延長。
底下的透明軟質橡膠是驅動的要角之一,沒有它,還真的不知道要如何驅動
因為它不需要繩子,而是需要摩擦

所以驅動傳統的木質陀螺時,繩子就成為雙手的延伸,小孩子的手掌再怎麼長,也比不過一段30公分的繩子。繩子越長,作用距離就越長,那轉換成旋轉動能的功就越多,也能讓陀螺轉得久一些。

閃光陀螺的轉軸旋轉要靠摩擦,摩擦時要稍微傾斜,讓軟質橡膠部分可以跟摩擦面接觸並產生相對運動。開始旋轉後,就要將中央的軸心和平面接觸,不過軸心可不能是摩擦係數大的橡膠,而是要採用表面光滑的硬質塑膠,這樣旋轉時才不會遭受到太大的阻力。
轉動時才會發光的祕密在於圓周運動,滾珠開關安置於電路板上
陀螺旋轉時,金屬滾珠向外側離開軸心,才能將電路接通

圓周運動需要的是向心力,而一直要強調的是「離心力只是一種相對於向心力的假想力」,其實只要用慣性來解釋圓周運動時被拋向外側的現象。只是離心力這個名詞,較容易被直觀的人們和想把產品賣出去的廠商所誤用。

轉得越快,摩擦力小的金屬滾珠就越容易朝向外側的電極運動。當金屬滾珠接觸到電極,成為通路的一部分,LED才會發光,並且延續成一個完整的圓圈,剛好也能拿來教視覺暫留。當轉速減弱,接觸得斷斷續續的,那看起來的效果也就會是斷斷續續的圓弧。
這兩張是最近重拍的,圖中的銀色金屬盤是用來增加轉動慣量的配重盤
開關在哪裡?中間兩個藍色的圓柱狀物體就是,搖一搖就知道有東西在裡面滾動

有沒有發現我寫「斷斷續續」的?其中的原因很簡單,如果滾珠只是滾來滾去就會形成通路而發光,那就太小看它的電路設計了。為了不讓陀螺傾斜時(這是它最自然不過的姿勢)會不小心形成通路,一直發光而浪費電能(總不能叫它一直立正站好),所以兩個滾珠一定要同時接觸電極才會使LED發光。

電極和金屬滾珠之間一定有種小小的排斥力存在,至少要能和滾珠重量達成平衡,不讓滾珠輕易和電極接觸,有時也會加入彈簧輔助,理解了嗎?
這是另外一款陀螺的設計,使用了彈簧震動開關,就在軸心後面那個透明盒子內
利用旋轉時的離心力(假想力),使得彈簧末端向外側偏移
接觸到金屬電極後,就能由原本的斷路接成通路,LED才開始閃閃惹人愛

面對以為簡單的事物,其實只要肯用心挖掘,層層剝開檢視,思考它背後所隱含的道理,就會有不同於以往的新看見。

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