2013年3月9日

科學玩具-運動學-吸管版跳跳火箭


超級球Super Ball)是種每個人都玩過的玩具,陪伴過自己某一段童年時光,即使是現在拿在手中,還是會忍不住享受把它丟出去再彈回手中的衝動。這種彈力極佳的球會根據不同的藥品混合配方而有不同程度的彈力,再加上形狀輪廓的變化,輔以色調及線條的搭配,所以有各種不同的選擇。傳統的科普書籍中曾經介紹過一款「跳跳球火箭」的演示活動,利用了一大一小、質量也不同的彈力球來示範能量傳遞與動量轉變,而質量小的球會在質量大的球撞擊下一飛沖天,接著就要忙著把剛剛急速飛過眼前的球撿拾回來,才能重新再玩。

但如果手邊只有一顆球呢?就無法享受這樣的樂趣了?不,要想想其他的解決辦法,才能創造出知識的額外價值。實驗材料很簡單就可以準備好,包括超級球、吸管、竹籤等三項。超級球是玩具主體,有些是一體成形的,彈力較佳,而且選擇刺哪裡都差不多。不過有些是由兩個半球所組成,彈力不是挺好,所以要先尋覓一下適合竹籤插入的點,千萬不要把竹籤插在兩顆半球的接縫處,那可是會把球一分為二的。
這一項自製的科學玩具材料準備上非常簡便,有超級球、吸管及竹籤
如果恰巧這三項手邊都沒有的話,去五金大賣場逛一圈就能買齊

將竹籤刺入適當長度(不建議超過球體的二分之一),最後再檢查有無鬆脫,就完成了吸管火箭的發射定向軌道。另外以細吸管剪裁出適當長短的火箭箭身,箭身的長度不超過竹籤即可。將吸管火箭套載在竹籤上,捏著竹籤末端使其自然下垂,最後放手使超級球自由落下,即可看到吸管火箭一飛衝天。
將竹籤刺入時一定會造成球體的損傷,甚至裂開,這不是我們的主要目的
所以只要刺進去後的方向是直指球心,不鬆脫也不偏移就可以

使用超級球的另一個好處是「彈性恢復力」,也就使一般所說的彈力,指的是物體受到外力作用之後的恢復程度。當竹籤刺入球體後,超級球會把竹籤夾得緊緊的,也是因為球的彈力正好提供了給予竹籤的正向力,進而使最大靜摩擦力增加,竹籤才不容易掉出,所以選擇彈力好的球其實有多種好處。
可選擇不同長度的竹籤來作實驗搭配,看看吸管火箭能衝多高
吸管比竹籤短還是比較好拿,也可以在吸管長度上,或者是在外觀上稍作變化

火箭筒身的長短可以自行剪裁與設計,只要不妨礙發射都可以。拿的方式有兩種,可以捏著竹籤自由垂下,也可以捏著球體再放開。不過持球再放開的過程中,手指與球的摩擦力對發射方向的影響程度會加劇,使火箭朝出乎預料的方向飛出,這在人多的地方是有危險性的,而且由於彈射速度極快,還沒眨眼就衝到天花板了,所以千萬不要低著頭看火箭如何發射哦!這個活動如果是團體進行,必須在教師的安排下有秩序地操作,若操作者能配戴安全眼鏡會更令人放心。

在機械效率小於一以及能量轉換過程中有損耗的前提之下,僅僅只依靠一個從人的高度自由落下的彈力球是無法反彈至天花板的,所以在球上裝上竹籤定向軌道,再把發射的物體更換成質量更輕的吸管,就能輕易地看到火箭直上雲霄的模樣。當彈力球撞擊地面瞬間,彈性恢復力會使得球體反彈向上,經過彈性碰撞使得這道力量向上傳達到了質量更小的吸管上,吸管並沒有和彈力球連結在一起,因此質輕的吸管便帶著強大的加速度和能量向上射出。
後來與「台灣馬蓋先」陳秋民教授分享時,他也覺得這是個很有意思的點子。如能搭配高速攝影再將以慢動作播放出來,更能窺見那分格畫面中究竟發生了什麼事,做更深入的探討來加深實驗效益,藉此釐清與「質量」、「加速度」、「作用力與反作用力」相關的牛頓三大運動定律

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