2013年3月2日

科學玩具-流體力學-千力砲


古典力學是在討論地球上的運動現象,在可偵測的情況下,用來分析身邊物體與環境的互動,根據這些現象,牛頓三大運動定律提出慣性、運動及作用力及反作用力三種看似獨立但卻息息相關,所有簡單現象在這些力的作用的交互影響下,呈現出來雖然千變萬化但卻有規則可循的運動之美。

像是彼此作用的兩個物體,雖然在接觸期間存在有大小相等、方向相反、作用在同一直線上,但卻無法互相抵銷的作用力與反作用力。有了這些總括來看不為零的力量,受力物體便會有速度變化的現象,讓物體變快、變慢或改變行進方向。但是只要兩個物體不再有接觸,那麼作用力與反作用力便旋即消失,而且脫離彼此的物體間也不再有速度上的改變,並維持原本脫離瞬間的運動狀態,也就是慣性,方向不再改變,快慢也不再變化。

在直線運動中的移動動能再加上讓物體旋轉的轉動動能後,整體的能量是增加的,也就是說物體作功的能力也增加了,顯現出來的就是效果的增進。像漫畫中的拳手,除了寸勁以外,加了旋轉之後變成穿心錐,威力就像是增加數十倍般,對手一下子就被揍飛了。
千力砲是商品標籤上的中文名稱,英文是Flying Gyroscope 
發射桿蠻長的,也預告了它不容小覷的飛行距離

所以這一款千力砲如果僅僅是利用彈簧伸長形變的彈力位能來作功的話,效果會很有限,飛了一小段距離之後,質輕的物體受到側向氣流影響的結果,往往是無法預測軌跡的亂飛一通。可是若加上旋轉,飛行的效果可是穩定許多,雖說受到重力的影響而無法在水平方向上沿直線飛進,但是在整體方向上變得容易預測,因此可以成為兩人或多人互動傳接的遊戲。

如果砲彈或子彈離開要射得又直又遠的話,需要在管中加入讓發射物旋轉的膛線,讓旋轉中的物體產生轉動慣量後便得以維持方向,否則發射物便會因為前方壓力及擾流的關係而變得極不穩定,除了射程不遠以外,也無法維持一定的方向而在空中胡亂旋轉。
有兩種玩法,使用旋轉變形的橡皮筋讓泡棉旋轉時推送飛行筒
也可以用手拋出,不過旋轉的動作還是會讓飛行穩定些

不過千力砲並沒有膛線,倚靠的是橡皮筋的扭轉形變所形成的力矩,加上泡棉與發射物之間的摩擦力帶動之下,讓飛行筒可以邊前進邊旋轉。每次扭轉的力道迥異使得旋轉的效果也不同,就好像有千百種膛線的管子般,讓每次的飛行都是獨特的。過於強調旋轉,那前進的能量就會受到限制,過於突顯前進,則往往事倍功半。
一組有兩個飛行筒,比彈弓好玩多了,算是蠻划算的教具
不過自製的會更好,只要買到合用的橡皮筋,剩下的就不是難事

飛行筒離開泡棉之後所得到的,就是空氣氣流的阻力或助力,還有那拋不掉的重力。在發射型態上做點小小的改變而獲得較佳的功效,是經年累月所累積下來的技術與經驗,也是設計、工藝與運動科學的結合。美式足球的拋接也是如此,慢動作觀察橄欖形足球的拋出與傳接,就會從縫合線上看到旋轉的模樣,所以有機會接球的球員的動態視力和接球技巧也很重要哩!

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