2013年1月25日

科學玩具-電磁-隔空煞車(飛輪)


去年八八風災重創南半島時,許多人的身家性命都受到了威脅,災後的復原工作到現在仍在進行著。當初危害發生時,許多生命是在沒有預期會這麼嚴重的情況下遭逢災變。

如果是動物,至少還會憑藉自己的雙手雙腳遠離危險;如果是植物,就只能乖乖待在原地接受風雨水無情的肆虐;但如果是沒有生命的物體,不但不能立即產生反應,爾後還會出現後遺症-化學變化。

以家中的健身器材為例,因為太重,所以無法及時撤離,只能眼睜睜地看著它泡在泥水中。後來雖然在淹水退去之後,先自行對外表做初步的清理,但還是要麻煩維修人員來處理內部的零組件。也因為這樣,才會有以下的照片出現,也才能親眼看見它的設計與原理應用。
大圈的是輪,五爪造型,頗有份量,轉動慣量當然也隨之變大
中間小圈的的是軸,軸心上連結著黑色桿子
利用腳對腳踏板施力所造成的力矩而轉動,軸轉一圈,輪也跟著轉一圈

這是傳動橡膠皮帶,可以將前面輪軸形成的轉動傳遞到後方的碟盤上
使用橡膠而不用鏈條的目的是機械故障率較低,省卻時常維修與保養的麻煩
但據維修人員表示,即使是橡膠,還是會有使用期限

可不可以把它扭曲成這樣再裝上去呢?
當然可以啊,只不過後輪轉的方向就會和腳踏板所運轉的方向相反
一般的腳踏車可不能這樣裝哦,想想看為什麼?

輪的溝槽可以讓傳動橡膠皮帶依附在上面
最邊緣的突出較大,以免皮帶側向滑出,俗稱脫軌或「落鏈」
中間的紋路當然是為了增加摩擦力所設計的

仔細一看,傳動橡膠皮帶所連結到後方的後輪則是頗有份量的實心圓盤
主要的重量集中在黑色的地方,轉動慣量大
至於中間的銀色薄盤,質量輕,但卻是啟動與停止的關鍵

接下來就是要角要上場囉!因為像腳踏車型的健身器材,總是會讓使用者依照自己的能力、技術與鍛鍊程度來分段使用,因此在只有一個飛輪碟盤的狀況下如何逐漸增加阻力呢?因為它的後方沒有像腳踏車一樣的齒輪,所以無法應用機械原理讓皮帶移動到不同的圓盤上以形成多段變速。

不過如果煞車或增加阻力的方式是讓金屬圓盤受摩擦的話,就像普通自行車的煞車機制,那麼圓盤和煞車皮的壽命肯定不長,因為摩擦不但生熱,也會耗損煞車皮。而且這些裝置都被塑膠硬殼包覆在內部,連拆個外殼都嫌麻煩了,怎麼可能為了一個小小的煞車皮而大費周章,所以不可能採用這種方式。

所以接觸力既然不行,那麼就靠非接觸力發揮功效了。非接觸力有重力、靜電力和磁力等,在這個裝置中使用的是磁力。磁力怎麼煞車?想想磁浮列車的原理就可略知一二。
這就是磁煞車,是能自由移動的強力磁鐵,共有兩塊,可以移動到圓盤兩側

強力磁鐵則是靠鋼絲調整位置,使用者可以選擇要不要讓磁鐵和圓盤有交互作用
磁鐵若在圓盤外,那麼就跟沒有磁力煞車是一樣的情形

這裡應用的是國三生就學過的楞次定律。可將圓盤視為線圈,磁場變化時會產生感應電流,感應電流又生成感應磁場與強力磁鐵相互吸引。因此強力磁鐵越往圓盤內部移動,所產生的磁性阻力越大。但不是一直進入到圓心哦,只要整塊磁鐵能進入到銀色圓盤區就夠了。
當然少不了的是光電測速裝置
利用反射光線的接收與否、接受頻率,可以測量出轉速、累積里程數
裝在哪裡?(先讓你想想看,反白即可看出解答)
光電測速裝置裝在五爪圓盤的旁邊,因為這個地方才有辦法截斷反射光

整個維修完成時的測試,最重要的是「運轉時音量要降至最低」

之前所講到的利用橡膠皮帶來傳動的原因之一即為降低音量
一組精密的健身器材,幾乎將所有的國中所教到的物理單元全部用了上去呢

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