2021年12月17日

科學玩具-磁學-磁浮飛梭

陪伴了10多年的教職生涯,同時也流行過一陣子的磁浮玩具,2019年時終於功成身退了。這是可以用來講靜力平衡的科學玩具,不僅僅是簡單易懂,操作上也是比磁浮陀螺簡單許多,加上成功率高,因此成為百寶箱裡的常備軍。


轉或不轉都可以達到平衡,旋不旋轉就成為次要的討論方向
簡單的力學分析,就能讓國中程度的學生理解合力為零的應有概念

在一次不經意的手滑,當下滑出了裡面的構造,與地面的碰撞造成解體,雖然沒拆解前也大致能想得出來裡面的結構,只是難免心疼。磁力與重力並非想像中的簡單,懸浮的現象也是,稍有擾動,平衡即被破壞,讓飛梭往左或往右偏移。因此這玩具常需要一片裝設在側邊的擋板,讓飛梭的轉軸壓在擋板上,使水平方向的力量得以平衡,操作者只需專注在讓垂直方向的所有力量抵銷。

 
多了一片,價格不變(知道這廣告詞的都是有年紀的,承認吧)
但少了這一片檔板,想要達到平衡,可說是難如登天

翻轉過來,露出內部的設置。有四個磁鐵黏著在裡面的溝槽,兩兩以斜邊相對,所產生磁力的合力便是向上(水平方向的磁力相互抵銷,只剩下兩個同方向累加且皆為向上的垂直力量),支撐著飛梭內部的磁鐵。兩兩一組,就是兩組,對應著飛梭裡的兩個磁鐵。

 
為使磁力方向穩固,固定磁鐵的方式常以溝槽卡著佐以黏膠固定
底座裡的磁鐵不移動,消弭讓平衡不穩定的因素


底座裡一定要特定形狀的磁鐵嗎?倒也不一定
只要不是N極、S極交錯鑄成的磁鐵,都可以拿來嘗試看看

飛梭裡則是建議使用環形或實心圓的磁鐵,各向度磁力線的分布較平均,靜止或旋轉起來較其他形狀的磁鐵穩定許多,但如果你有很多時間,在磁鐵的選擇上,還是可以使用柱狀或三角柱磁鐵當作挑戰。


環形磁鐵也是很好的選擇,不論用在底座或飛梭上
而且中間的圓孔,恰好可以讓鉛筆、竹筷或木棍穿入,相當適合組裝

固定磁鐵時,熱熔膠是我的首選。當然也可以使用其他的媒材,像是快乾膠、AB膠、泡棉膠帶或魔術黏土等,但乾了會硬化的接著劑,在磁鐵表面上也會脆化,更何況沒有深入滲透,而魔術黏土有方便、易調整的好處,不過碰上外力稍大時則有變形、磁鐵位移的疑慮。因此,我才會選用稍能緩衝又能固著在不同材質表面上的熱熔膠。

手邊有許多用不完的鉛筆、免洗筷,剛好可以做為轉軸,可用削鉛筆機削出尖端,用以抵住檔板。調整磁鐵位置後,同樣也是使用熱熔膠便能使磁鐵固定於其上。


製作過程和原理說明可參考2015年幫科工館科學學習中心拍攝的影片

不過雖然我把它稱為飛梭,但它其實不像梭子一樣會在絲線中穿來穿去,只是在原處打轉。它適合擺在書桌上,當文青的裝飾(鋼鐵人也在辦公桌上放一組混沌擺),閒暇之餘動動它、轉轉它,不穩定時的抖動,就這樣看著看著,也還蠻療癒的。

2021年12月5日

生活科學-錯視覺-水往上流

2019的環島之旅,行經臺東都蘭部落時看到觀光景點的標示,臨時起意往這處轉進來,發現景點的腹地範圍還不小,可以沿著坡道往上慢慢散步。在信步向上之前,大家最常拍照的地方就是這塊石碑,也就是「近看」水向上流的熱點。

碑文上刻著:「古語說:『人往上爬,水往下流。』但本縣民間卻傳說有一處水往上流的奇觀,信不信由你。不過百聞不如一見,奇景就在眼前。請您停下來,實地欣賞一下吧!

一股腦兒地就近觀察,常會忽略掉重要的背景線索
因此水向上流的現象雖非人為刻意營造,但卻是顯著的錯視覺例子
 
面對渠道觀察,水流看起來是從地勢較低的左側,往相對高的右側流上去
加上近看時,可參考的背景線索較少,而且觀察者就站在容易被誤導的斜坡上
 
遠觀後,可判斷的背景線索就出現了
左邊的相片是「讓人以為」的狀況,右邊才是真實的地勢,水還是往低處流的

簡單來說,拿手機水平儀測試角度作為輔助,就能知道地勢。隨著觀察基準點不同,就會出現不一樣的現象,重點還是觀察者要先確認所在地的地勢是水平的,才能量測到正確的結果。

關於奇觀的歷史沿革:「水往上流」原是都蘭部落阿美族人在1870年灌溉農田而開闢的水圳,現又名「都蘭四號圳」。該水圳可說是都蘭部落族人的共同生活記憶,不僅是阿美族青少年成年禮訓練的基地之一,也是族人在夜裡溯溪採集食物或挑水的重要據點;後來人們遠觀此圳,發現水流會順著斜坡往上流,從此奇觀之名即遠播四方。

文字資料來源:東部海岸國家風景區解說牌