科學玩具－力學－懸崖勒馬

原文發表於Yahoo奇摩部落格2009年11月08日。

兩個小玩偶，一共四隻腳，中間用一條木棍相連接，確保木偶之間的間隔距離不變與沿著相同的方向行進，就好像在抬擔架一樣。前方引導方向的木偶身上有設置一個羊眼鉤，鉤上綁著一條魚線，另外一端則是連結著一個木錘。木偶的造型有圓有扁，加上逗趣的表情，令人愛不釋手。

無辜的眼神，似乎只專注著前方，而沒看到漸漸逼近的懸崖

每每走到懸崖邊，總是讓人替它們捏一把冷汗

這個玩具可以出現在很多理化教學單元，一直是我的好幫手。第一次登場會是在教摩擦力的時候，因為腳底的設計與桌面的摩擦應該是能讓木偶搖搖擺擺地走動，而不是滑動，此時接觸面性質就顯得異常重要。

它可以在木製桌面上行走，但是卻不能在舖有玻璃的光滑平面上表演。原因在於兩種接觸面的摩擦係數不同，玻璃的摩擦係數小，容易滑動，而木製桌面的摩擦係數大，兩腳較容易走動。想想在冰上行走和在柏油路上行走的差別吧！

當然要使它前進，一定要有動力，它的動力來源就是木錘。由於將魚線拉直後，木錘是懸吊在桌面外的半空中，所以會給予整個系統（木偶＋木錘）一個向前進的拉力，這就跟運動學中砝碼與滑車的實驗是同樣的道理。木錘所受的重力減去木偶腳底所受的摩擦力後，就是讓整組木偶前進的合力。

當作動力來源的木錘，不可以太輕也不可以過重
過猶不及都不好，所以要找到適當的比例

太輕則是拉不動整個系統，走沒幾步停下來

太重則是腳步還沒變換好就被拉著走，變成容易滑動

除了這些理化知識的應用呢？當然，一個玩具鮮少是單一原理的應用，這個木偶的足部運動也大有玄機！足部是可以前後活動的，在啟動前，最好是讓兩腳一前一後，待會兒才會像人一般地走路。

兩足僅掛在橫桿上，活動自如

首先，按住其中一隻木偶，施予一個微小的力量使其傾斜，其中一腳稍稍懸空，然後輕輕放開即可。此時兩木偶間的重心並沒有偏移出足底面積的範圍，所以它們都還可以維持平衡。但一方面因為腳部擺動時的慣性，再加上前方有木錘在拉，所以木偶會搖搖晃晃地前進，而且邊前進邊換腳。

以左腳在前、右腳在後為例。左腳先在桌面上形成支點，懸空的右腳會向前擺動並踏在桌面上，但因為身體向右方擺動的慣性，使得右腳變成了新的支點而換成左腳懸空。懸空的左腳會向前擺動並與桌面接觸，再一次形成支點。如此一來，一左一右地擺動，使得木偶的動作頗令人莞爾，就像是相撲選手以外八字的方式走路一樣。

木偶大小並沒有一定的比例，前小後大或是兩個相等都可以

但是如果只有一個木偶則容易左右傾倒，所以不管造型如何，通常都會有四隻腳

但為何會懸崖勒馬呢？為什麼不會一直往前走而從崖邊摔落呢？這就牽涉到重心與支點了。其實在行走的過程中，重心一直往懸崖邊的鉛直線上移動，直到整個系統（木偶＋木錘）的重心在支點（線與桌面的接觸點）下方的鉛直線上，就會比較容易平衡，即使擺動也會回復到穩定狀態，這就是所有平衡玩具的原理哦。

還有一種意外的情形，就是木偶還沒走到懸崖邊，木錘就已經到達地面上。失去了使木偶向前行進的拉力，當然不可能繼續移動，也就不會掉下去。但是這樣子就失去了驚奇的效果，所以在玩之前，一定要先確認桌面高度比魚線長。

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