2014年1月25日

科學玩具-聲學-DIY手搖鼓罐

2013年的高雄市科學園遊會中,四維國小的老師們分享了手搖鼓罐的DIY版本,讓參與活動的民眾都能動手製作一組古早味發聲玩具,而且重溫早期的資源回收車,伴隨著「酒矸倘賣否」的吆喝和鐵製三輪車偶爾「嘎啦嘎拉」行進聲的畫面,天空彷彿又再次在白色汗衫的印襯下顯得泛黃。

手搖鼓罐是一組自製的科學玩具,在製作的過程中,可以理解到這個工具裡面隱含了多種科學原理。由於它的功能主要是發出聲響來吸引注意,所以當然脫離不了聲音三要素(響度、音調與音色),目的聚焦在能放大聲音且單手方便操作。

製作的過程中,不但可以發現手搖鼓罐的發聲機制,還可以利用所學到簡單機械原理與能量轉換知識,幫助自己調整手作品的性能。發聲並放大當然與共鳴腔有關,共鳴腔的空間大小決定了聲波的相長疊加程度,而共鳴腔的材質決定了聲波總合而成的波形,在基音與各種泛音互相干涉下,發出的聲響具有容易辨識的獨特性。

觀察可粗略分成兩個面向,一種是由製作中觀察,另一種則是由操弄中觀察。製作的過程能將技能熟練化、知識精緻化、材料多元化,選擇材料的起點行為就已經開始了探究的過程。首先就從厚紙板開始吧!選擇的大小以B4為佳,因為可以用裁紙刀協助切割,如果寬度為3公分的話,每張B4厚紙板可以裁切13條長方形紙板,而磅數的選擇(300P500P)將會決定凹折的難易與十字翼的耐久度。
B4厚紙板切成長方形紙板時的長度是剛剛好可以製作十字旋轉翼的
裁切好的紙板需再均分折8等分

長方形紙板後面要先黏貼雙面膠,才能做出撥動木片的十字翼。教學過程中給學生的第一個挑戰是將長方形紙板八等分,一些動作比較快的會直接用二的三次方觀念來操作,雖然只要「對折,對折,再對折」,不過共要折七次才能將紙板均分成八等分,最後將各段一正一反地整理好。
折好後,先撕除雙面膠膜,把紙板中央那兩段先貼合在一起
接著貼左、右兩側,但是最後的首、尾先別急著合併起來,還有轉軸要放進去

紙板首、尾兩段完全封閉前,先在免洗筷的適當位置貼上一圈雙面膠
把免洗筷置入紙板中充當轉軸後再貼合,使紙板呈十字的形狀

免洗筷上纏繞一圈雙面膠的用意在於增加與紙板的黏合度,也可於免洗筷轉軸置入後再用手壓緊紙板,壓的過程中可以再將翼面調整成正十字形。製作好之後,可放在一旁備用。

接著就是準備鐵絲的部分了,鐵絲的直徑不宜太細,因為硬度不足疫彎折變形,而太粗的鐵絲則是找自己麻煩,不但不容易剪裁,而且彎折過程簡直是徒然耗費力氣。五金行所賣的鐵絲很便宜,一綑75元的鐵絲圈約可剪裁出200支鐵絲條,當然,這些都必須靠自己萬能的雙手。
鐵絲裁切成長約30~35cm,接著彎U字形
兩端使用尖嘴鉗折出小環,小環的用途是套在免洗筷上固定

這裡會使用到兩種工具,一種是剪鐵絲的老虎鉗,另外一種是彎折用的尖嘴鉗。剪鐵絲時就會深切地感受到鐵絲放在刃上位置的重要性,身為抗力的鐵絲當然是離支點越近越好,這是用身體直接感受的經驗,所以學生絕對不會忘記。而彎折小環也有技巧,千萬別想一步登天,尖嘴鉗夾著鐵絲並讓它超出1.5公分,先彎折第一次,再移動一點點並彎折第二次,最後夾著鐵絲末端彎折,才能做出有美麗弧度的小環。
彎折好的鐵絲用透明膠帶黏貼在塑膠杯上,如果一旁有幫手的話會比較輕鬆
重點是黏貼固定的時候,鐵絲與塑膠杯底間千萬不要呈九十度

鐵絲與塑膠杯底間必須有斜角而非垂直,否則聲音會出不來,不然就是悶聲不響。杯底是冰棒棍敲打時的撞擊面,能讓冰棒棍順利敲打到是最好的,由於塑膠杯的杯底是平的,所以傾斜一點會比較容易讓冰棒棍撞擊到杯底的正中央,產生較大的振動幅度,發聲也就較為響亮。
15公分長的冰棒棍,可剪裁成三等分
所使用的工具是較大型的事務剪刀,不僅省力也比較不會剪壞

一圈大橡皮筋扭轉成二小圈後套在鐵絲上,將剪裁好的冰棒棍穿過橡皮筋中間
旋轉冰棒棍,就能帶動橡皮筋轉動,轉得越多圈,便能將冰棒棍旋緊在其中

旋轉的圈數越多,雖然可以將冰棒棍緊緊地束縛住,但是橡皮筋的形變量越大,儲存的彈性位能也越大,也同步增加橡皮筋的扭力,當然敲擊杯底的力道也會增加使得聲音加大,因此扭轉的圈數得要節制點。不能只想著增加扭力讓冰棒棍敲得響亮,卻忽略了另外一端厚紙板條其實是難以撥動冰棒棍的。
須調整十字翼、橡皮筋以及冰棒棍三者的相對位置
冰棒棍是一組支點在中間的槓桿,需思考最佳的調整方案

十字翼的翼面不能超過橡皮筋,不然會卡住無法旋轉,撥不動卻硬要旋轉只是會破壞翼面強韌性與夾角而已。再者,就是如何讓十字翼在撥動時是省力的,其實是可以讓學生再次認知到槓桿原理的應用。所以透過調整橡皮筋、冰棒棍在支點兩側的長度,讓課本上的知識變成生活上的智慧。
冰棒棍敲打的面不外乎平底與凹面這兩種,但是敲的位置卻大不同
端視取得的杯底材料性質來決定冰棒棍槓桿的施力臂與抗力臂長度

將免洗筷插入小環中,搖動免洗筷進行小幅度的圓周運動,旋轉中的鐵絲帶動共振腔,也讓固定的十字翼撥動圓周運動中的冰棒棍,讓冰棒棍每隔九十度敲打杯底一次,轉動一圈可以敲擊四次,轉動得越快敲擊的頻率越高,但是卻也能知道敲擊頻率的高低與物體的自然發聲頻率無關。

傳統手搖鼓罐的十字翼是用小木棍插在大木棍上而成的,利用厚紙板與雙面膠能解決有效解決製作十字翼時鑽孔的麻煩,也能大幅縮短等待黏膠乾涸所耗費的時間,是我衷心覺得富有創意的改良方法。不過,設計簡案中的活動啟示則是由本部落格之前介紹傳統手搖鼓罐的文科學玩具-聲學-手搖鼓罐落中擷取並施以乾坤大挪移重組,況且我自己怎麼可能忘記曾經嘔心瀝血寫過的文句段落。

延伸閱讀(科技大觀園)──
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