生活科學－運動學－嬰兒物理學最終曲（洗澡玩具）

之前看到洗澡小鴨裡面都是黴菌的新聞，而且浴室比較潮濕，即使洗澡玩具使用後把水都擠掉，也難保不會孳生黴菌，畢竟不太能完全清除水分，清潔內部再風乾也要花很久很久的時間，實在是麻煩又不環保。

像無法拆卸的軟質可按壓、加上有小洞的塑膠，雖然可以浮著、噴水，但內部幾乎不會乾，而且洗不到裡面的髒汙。就算用漂白水清潔，也是過一段時間就會變質、得丟掉的塑膠垃圾。像這類型的玩具重複用在洗澡時，等於是跟黴菌洗鴛鴦浴，實在不應該挑戰這麼危險的玩法。

發條蓄積著能量，在釋放時轉變成手部的動能

手掌向後撥水，獲得反作用力的同時，身體就會前進
連續撥水，就一直前進

若洗澡玩具是能拆開晾乾、比較好清洗的，就「比較不會」發霉，還可視耐高溫程度選擇消毒鍋或熱水消毒。不過與其這麼麻煩，水杯、水桶、水瓢就可以玩得很開心。

科學玩具－運動學－慣性陀螺

可以從照片中看到早期的慣性陀螺設計是使用滾珠開關，而且還使用到兩個，而三個電池和LED燈則是平均分開在電路板的各個角落，靠著電路板上的簡單串聯電路，將所有電路元件串接在一起。

陀螺旋轉時，靠的是鋼珠慣性移至兩端，進而導通電路使LED發光
轉速降低時，鋼珠脫離接點，造成斷路使LED熄滅

摩擦陀螺底部的矽膠，與地面之間的反作用力讓軸承轉了起來，帶動陀螺內的金屬配重盤。由於金屬配重亦有慣性，一旦動了起來，也意味著它不容易停下來。而軸承的頂端也配置一顆鋼珠，使得金屬配重盤能在摩擦力減小的情況下持久轉動。

這樣的配置和用料可說是誠意十足，完全對得起售價
只要電池不漏液，內部基本上是很難壞掉的

然而，後續的版本是採用Costdown的觀念來設計生產，換成某種固體作為配重，而且還挖個電池艙，讓電池集中且隱沒在電路板下，與金屬配重盤重量有差異，慣性當然也不同。兩個滾珠開關換成了一個震動開關，電路導通的方式雖然大同小異，但施力力道與LED發光持續時間的差異還是感受得出來。

 
震動開關同樣是靠慣性，讓導電彈簧接觸位於中央的金屬導電腳而導通
因此真正用於接觸的導電彈簧是在密集端，但也是靠彈性恢復力斷開

兩種版本的慣性陀螺售價相同，但內部用料卻處處不一樣，一個地方不同就會引發一些效能差異，多個地方不同所造成一連貫且加乘後的差異便會很明確地顯現出來，最終反映在陀螺旋轉與LED發光的續航力上，這都是設計製造考量的面向，選購時得要睜大眼睛。

科學玩具－簡單機械－懸浮張力平衡架

流行了一陣子的張拉整體，也可以稱為懸浮置物架、靜力平衡置物架，也有木工版的桌子，外觀雖然稍有不同但原理大同小異，可以從重心的調整、槓桿原理的應用，加上棉繩、魚線或鍊條的張力來達到靜力平衡的狀態。

先將位於上、下部平台的中間連線視為支點，放置物體在懸浮的上部時，上部平台連同物體的重力力矩會使之傾斜，使得在另一側的兩條連線愈發繃緊而出現張力，並產生相反方向的力矩，讓上部平台達到平衡。上、下部平台的三條中間連線的張力，呈三角形分布，讓整體結構得以穩定。

我在科工館的營隊中，安排孩子們觸摸木材的溫暖與常用的五金零件
帶入科學原理的解釋與應用，使其貼近生活科技

平衡的探究因素有「中間連線的位置」、「三條連線是否對齊、相互平行」、「三條連線的分布為正三角形（或等腰三角形）」、「整體結構的重心」，最後在繫綁連線的時候應施加「預先的應力」，讓上部平台幾近水平（非水平），平衡狀態更為完美。

原理理解了，就可以嘗試不同的製作材料，像是冰棒棍、竹筷、吸管、PVC水管、紙杯或積木……以下就是積木版本的包裝及組裝順序說明。

 
 
理想很豐滿，現實很骨感，起初組裝時都還不錯
真正上場接受測試時，就出現問題了

積木版的優點是組裝簡便、快速，但缺點就在於結構問題
只要連接處榫卯間搭配得不是很優，就容易傾斜，甚至斷裂

看似懸浮的裝置，連結的力量其實都在連接處，也就是垂直方向的合力平衡，但對於來自側向的、水平的力量，則一點都無法抵抗，在水平方向的合力不為零的情況下，非常容易失去平衡（翻盤）。

科學玩具－力學－快樂的鴕鳥

在旗津的老街上買到木製玩具－快樂的鴕鳥，雖然不知道它快不快樂，但確定的是能讓人想動動它，聽聽腳步聲。這是第二組工廠大量製造的自走玩具，所以斜面、重心與摩擦力、擺幅與週期之類的可探究因素就不再贅述。

10年過去了，當初5歲的小朋友還是能保持當時的童心

自走玩具並非自己會啟動，需要是透過斜面來造成重心的移位，而產生重力位能與動能之間的轉換。前足與身體一體成形（有些版本是膠合固定），後足可以自由擺動。整體重心要在後足的轉軸的斜上方，才能在斜面上運動時不斷的擺動後足。

　
曲面足板讓自走玩具整體重心產生前後移位
重心前移時，後足便懸空再向前足並攏

起始的擺動也很重要，必須讓重心後移
最好是移出後足支撐面（垂直投影面）外，但又不能太過

在重心後移時，便改以後足佇在斜面上，待前足懸空並向前邁開時，即產生下一波的往復運動。過程中，斜面坡度扮演了另一關鍵角色－「閾值」，或稱為「極限」。自走玩具不適合在坡度大的斜面上擺動，一旦重心前移並超過支點時，它就會向前傾，當重心移出前足的支撐面時便會前倒，因為它不像Michael Jackson可以靠地板的卡扣撐住身體而前傾45度。

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生活科學－摩擦力－蓮花團圓～石來運轉

噴泉廣場上在原地滾動的一顆巨石，動力來源是靠著是底下的水的衝擊力量撐起並推動著。有浮力嗎？與水體接觸得不多，應該只有少得可憐的一些些。水體先經由蓮座向上衝擊，形成間隙並高速流出，大幅減少了圓石與蓮座之間的摩擦力，並利用自身的動能帶動圓石的滾動。可以發現大部分水體的噴出方向與圓石的滾動方向相反，也是符合牛頓第三運動定律（作用力與反作用力）的現象。

（相片拍攝日：2019年2月4日）

花蓮市火車站自此地搬遷後，當年盛及一時的繁華及獨特的人文歷史隨著時間的流失逐漸被人們所淡忘，為恢復此處昔日的風華，花蓮市公所特別精心設計規劃【蓮花團圓～石來運轉】噴泉廣場，使之重新銳變成為兼具休憩、觀光的新景點。

【蓮花】一本縣的縣花，有著出污泥而不染的寓意，正與一向以『台灣最後一處淨土』、『好山好水』美名著稱的花蓮相呼應。在巨大團圓球下方安裝一座蓮花座，代表花蓮這塊土地有著像蓮花般純淨無邪又不失莊嚴的氣勢。

中國人一向最注『團圓』，引述【圓】的圓滿、團圓之意喻，市公所打造這顆【全亞洲最大的花崗石球】，除了提供來到花蓮市遊玩的觀光客多一處觀光景點選擇外，也藉此提醒大家要珍惜和家人團聚的時刻。

象徵財富的水，對中國人而言具有其特殊含意，利用水的動力讓滾石不停轉動，象徵祈求周邊商家的生意可以生生不息、源源不絕的含意，同時也期許本市百姓安居樂業、地方財源能滾滾而來。

 

夜間的噴泉在五彩燈光投射下水波所產生的豐富光影變化，展現出它不同於白天的柔美華麗一面，在徐徐微風吹拂下，不論是遊客或市民都可以與三五好友輕鬆的打開話匣子談天說地，欣賞噴泉炫耀多變的水花及燦爛的星空，為自己忙碌的一天劃下完美的美麗句點。

文字資料來源：【蓮花團圓～石來運轉】噴泉廣場

科學玩具－運動－龍捲風球

最早是從Grand Illusions裡看到的介紹，是吹氣給予動力的版本

利用高速氣流讓鋼珠懸空也是可行的，技巧和角度要抓得很好

科學遊戲－力學－以一擋十

 

科學玩具－力學－光碟氣墊船

影片中的光碟氣墊船是專為科學教育中心設計的款式，在2015年賽e趴提出跟與會夥伴討論，在書中也有呈現探究的切入點和意涵。但是看到這個科學遊戲已經被擅自改成不相同的型式，設計與細節上就已經失去了原意，可探究的地方也變少了。

科學玩具－力學－魔術手環(Toroflux)

大賣場賣的，19元一個而已，變得好廉價

玩具介紹

科學及數學理論說明得很詳細，慢慢看就能懂

自製流體手環 Toroflux (Flow Ring)

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科學玩具－力學－出氣球

曾經在部落格中出現過的黏球玩具－黑豬
倒不是重現江湖，而是照片是2014年拍的，那時候王小胖還是國小生

有一種叫做「出氣球」的玩具，很久以前流行過一陣子，雖然消聲匿跡過，不過隔了幾年又出現在夜市或是玩具商的攤架上，造型多變，有的呈球型、蛋型，還有的外觀是水果的模樣。如果不動它的話，似乎就像是一個正常的擺飾，但摸起來卻是軟軟的，表層具有黏性。仔細一瞧，就像是個灌了水的氣球般，只是它的皮厚了許多。

 

出氣球的材質和特性相當特殊，怎麼摔、怎麼打都不易損壞
也不易讓遊戲者受傷，適合精力旺盛的小朋友們拿來玩耍，倒不是真的拿來出氣

造型與種類繁多，有水果類的草莓與柑橘，也有老鼠和雞蛋
不限於球狀，但材料的性質讓外觀大多是圓滾滾的

出氣球受力之後會產生形狀變化，並且具有可以回復原狀的彈性恢復力。若是將它向堅硬的地面上丟，在撞擊瞬間發出一聲「啪！」的聲響，同時形成一塊扁扁的「爛泥」，而且越用力聲音越響，也就越扁平。此時再發揮它的黏性附著在撞擊面上，攤開面積越大黏得越牢，恢復得也越慢。

「啪！」的一聲，撞擊面攤平在平坦的磁磚上，離撞擊點越遠的厚度越薄
越薄的地方越透明，而中央是深色而不透光的團塊

出氣球的材質是矽膠，裡面裝有水分和氣體，所以才能藉由材質本身的彈力恢復原狀。由於玩的過程中會接觸到不同的材質，當然免不了也會沾黏灰塵、毛髮之類的髒污，所以黏性會越來越弱，要是置之不理，就很難在黏附在任何表面上。使用清水沖洗雖然可以將明顯的髒污去除，不過也會將黏液一併洗去，雖然進行了表面清潔，但黏性也因此不復以往。

 

黏附的地方不只是完全貼平，而是將來不及脫離的空氣也一併打趴
出氣球邊緣的這些圓圈並不是破洞，而是大小不一的氣泡

即使在丟的過程中，也記得不要將它往木板或水性油漆粉刷過的牆壁上丟擲，因為出氣球表面有一層黏液，與碰撞表面接觸時會殘留並滲入內部，將留下洗刷不掉的痕跡。最好是將它丟在地板磁磚上，只是必須小心不要用力過度，免得造成運動傷害。

使用在填充水的水球握起來和填充氣體的氣球感覺是不同的，其中最大的差別就在於用途的不同致使氣球膜的厚度出現差異，水球的膜比較薄、容積小而易破裂，而氣球的膜稍微厚些，能撐大許多。當水球撐得渾圓飽滿時，只要稍微有點外力，就能讓它破掉，便是薄膜繃緊時的張力與液體的不可壓縮性。

用力擠壓在出氣球上，出現的是形狀的改變
雖然不至於破裂，但難以壓縮的液體造成不同部位的膜的厚薄出現差異

外力作用在飽滿的水球上，力量穿透過薄膜傳遞到裡面的液體，液體能傳遞作用力，但卻無法將力量吸收或宣洩掉，薄膜因而破裂。而出氣球的膜厚了許多，可以承受更大的外力，僅是變形或變薄，沒那麼輕易被破壞。

最早入手的是荷包蛋型態的出氣球，但是放久了以後，它卻越來越膨脹，竟然有氣體出現在裡面，而且還越來越多！？玩弄久了，黏性逐漸消失，鼓鼓的外形就像未裝滿水的水球，一點都不像扁平的荷包蛋。那麼，它比較容易破嗎？思考看看！

科學玩具－運動學－鹹蛋超人做體操

在書局、文具店、玩具店或便利商店的架上，偶爾會出現一種奇妙的物品，與其說是奇妙，不如說是奇怪，因為它給人的感覺是：「它是正常的，但好像是哪裡出了問題？」就好像是東施效顰般讓西施難過地捧心。就以這個鹹蛋超人為例，猛一看像是高斯（UItraman Cosmos），可是仔細一瞧，嘴唇竟然被塗上金漆，下半身完全走了樣，不但是白色身體，而且還附上腰帶、銀靴，胸前那顆變身計時器還能理解，但是左右那兩片是什麼呀？（胸肌？）

 

 以往使用竹片為素材的玩具，現階段則使用塑膠
雖然材質不同，但能量轉換的原理概念是一樣的

還是稱它為鹹蛋超人好了，畢竟它有兩顆鹹蛋般的眼睛。按下底座兩側按鈕時，支架中間的橫軸受到細繩的扯動後開始轉動。橫軸上有兩條細繩，未按下按鈕前，細繩為交錯的狀態（交錯處在兩旁的支架內），而按下按鈕後，支架向外側張開的同時，也將細繩拉緊，讓交錯處旋開，進而帶動了圓盤轉動。

平時鬆弛（未壓下兩側按鈕）時，鹹蛋超人自然下垂

壓下按鈕後，則會被提升至橫桿上方

圓盤與橫桿為一體，就連鹹蛋超人的雙手也是被固著在吊環上。所以在按按鈕的壓放、壓放之間，細繩便被拉緊→放鬆→拉緊→放鬆……，於是兩條細繩在交錯扭轉、平行分離時，形成了扭力矩，也就是這樣的扭力矩造成鹹蛋超人上上下下的運動。

慢速壓下兩側按鈕，讓細繩繃緊並分離，鹹蛋超人便會慢慢上升

如同體操選手上吊環的準備動作

然而，它必須要有個靈活的肩關節，才能轉動。所以，肩關節處形成另外一個轉軸，讓身體可以繞著它旋轉。在壓放按鈕的時候，仔細觀察就不難發現其實細繩並不會同一方向一直扭轉，也就是兩條細繩只有交錯與平行這兩種動作，使得橫桿、圓盤、吊環連帶著鹹蛋超人的雙手也只有向前轉圈→向後轉圈→向前轉圈→向後轉圈……地反覆運動著。

可是，慢慢的操作就只看得到上環、下環的動作，說好的空中翻滾呢？只要加快按壓按鈕的動作，讓細繩扭轉的速率加快，當鹹蛋超人的身體尚未到定位之前，雙手就猛然地被被拉往反方向，在身體仍朝向原本運動的慣性作用下，就有可能出現空轉翻滾的動作。不過，按壓按鈕（控制細繩扭轉）的頻率得搭配身體擺動的頻率，才能讓擺動幅度逐漸增加，進而做出翻滾的高難度動作。

翻滾的地方不侷限在槓上或槓下

而且也不知道何時會前滾翻，何時會來個後滾翻？

這就像是大家熟悉的風火輪（以前是用鐵瓶鑿穿兩個洞，再用細繩穿過），並不是將繩子轉個幾圈，胡亂拉扯就能讓中間圓盤轉起來，而是雙手向兩旁拉繩子、向中間靠近的時機，必須搭配圓盤的轉動，尤其是在圓盤接近轉換方向之際，才是向外拉繩的較佳時機。

這裡提出一個思考點讓大家探究一下，要容易讓鹹蛋超人在空中翻滾的話，需不需要考慮轉軸（肩關節）以上的頭部和以下的身體部位的配重比例呢？怎麼樣搭配比較好？為什麼你會這樣認為？說說看，讓大家知道你的想法吧。

科學玩具－力學－氣墊球

對流體而言，氣體的浮力和液體的浮力源自同一概念，但對於固體而言，就不適合稱為浮力了，由於以往曾經看到有科學遊戲將固體之間的作用力與反作用力稱為固體中的浮力，雖然這是一種類比的方法，但還是謹慎一點比較好。科學教師在演示時，總希望能讓學生人手一組，但對於需要事先準備的科學教師而言，還是需要考量到前置準備作業和實驗操作完後的收拾善後。尤其是浮力，要是弄得桌面到處都是液體，難保不會有意外發生。

學習浮力，需先有壓力的基本概念比較能快速入門。學校的英文老師就曾跟我聊到他以前學理化時，浮力單元的內容都聽不懂，我也只能無奈地回以微笑，說因為這樣你才會進入更有興趣的英文領域。

浮力是種接觸力，當效應產生時，能稍微抵銷向下的重力，可以改變物體與接觸面的正向力大小，對於質量輕微的物體，還有機會改變接觸面性質。怎麼說呢？倘若流體有機會進入物體與接觸面之間的縫隙，由於摩擦係數隨接觸面性質而改變，那麼將使得摩擦力跟著被改變。

在沒有投幣的時候，平台跟一般的桌面沒什麼兩樣

即使拿其他板狀物體來推，也推不太動，更會刮傷桌面

像是氣墊球這樣的遊戲台，從大型機台到小型桌遊都有，當然玩的樂趣、力道、可控制的範圍也不一樣，但是不論在哪一種平台上，都是應用相同的原理。檯面上有許多小孔，氣體可以從這裡被噴出，進入圓板與檯面間的空隙，加上重量小，因此圓板有上浮的趨勢，雖然稍稍被抬起，但是圓板的重量和外型仍使得氣體被壓迫向四面八方流出，形成讓改變接觸面性質的氣墊，摩擦力大為減小，所以會更容易推動。

檯面上的出氣孔孔距不能過長，但也不需要太密集（有看到燈管倒影旁的小洞嗎？）

能讓圓板同時覆蓋四到六個出氣孔為佳，以維持氣墊存在

遊戲中的圓板並不是平坦的，而是有裙緣，也就是周圍較厚而中間稍薄，這樣設計的好處是讓氣體由出氣孔向上噴出時，能暫留在圓板中央形成氣墊，氣墊越能維持，圓板就越容易移動。

上面的氣墊球玩具可以在任何平坦的表面操作，用來推氣墊球的推把也比較大

旁邊的那隻筆並非拍照時充當比例尺的功能，而是我在教麼擦力時的教具

氣墊球並不需要檯面上的出氣孔，而是創造氣墊，讓自身微微飄浮，也能達到容易移動（被推移）的效果。在手掌般大的氣墊球中有組馬達與風扇，運轉時可以將空氣向下推進，撞擊到平面的空氣向四方散逸時，便能將周圍的裙緣稍稍撐起，大幅降低移動時的麼擦力。氣墊的產生與效果當然與馬達的運轉速度有關，新電池效果不言可喻，但是當電池耗弱時，馬達動力不足以讓風扇快轉，能量不夠，自然就撐不住囉！

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科學玩具－運動學－陀螺繩功

陀螺是一種形狀怪異的玩具，不但頭重腳輕，而且重心高於支點，怎麼看都不符合穩定靜置的條件，除非有支架，不然平時要它站起來是不太可能的。不過怪異的地方就在這裡，雖然先天不良但後天可沒失調，利用旋轉使角動量守恆能使得陀螺的轉軸定向。

之前在科學玩具─運動學─拉線陀螺中有提到過繩子是手部對陀螺作功的延伸設計，增加的是作功距離。不過施力必須要有技巧，如果所給予的力量僅夠維持陀螺轉速的話，也就是力量被抵銷（不論抵銷的原因是出自慣性或摩擦），不足以使速度產生變化，那麼陀螺所具有的功將不再增加。

一手握持固定陀螺的柄，另一手要快速拉扯纏繞在轉軸上的繩子

個人認為轉得漂亮的陀螺是轉軸可以長時間定向的轉法，穩定而優雅

所以拉繩子的時候，最好是越拉越快，可以拉多快就拉多快，而不是將陀螺拋出去就好。繩子纏繞的時候也有小撇步，要盡量一圈一圈、一層一層地整齊排列，拉的時候才不會產生不必要的、方向不完全一致的外力或力矩，讓轉軸長時間維持一定。如果能做到這樣，陀螺面上的圖案在混合時會較為一致，出現殘影的機會較少。

如果在陀螺上鑿洞或穿孔，則會成為具有附加功能的陀螺，也稱為地牛，顧名思義，就是在地上邊快速轉動邊發出如牛低鳴般的哞聲。成因就在於中空筒狀的陀螺側邊挖鑿出孔洞，讓氣流流經劈狀物時產生邊棱音（edge tone），不同的轉速有不同程度的聲響，再加上以前多以中空竹筒為製材，所以又稱為空竹。

地牛又稱為空竹，聲音隨轉速而有變化

跟必須將氣體吹進去的哨子不同的是側邊的缺口是讓空氣被動地流入

轉軸固定是因為角動量守恆所致，但是物體的旋轉軸可不僅止於垂直地面，而是任何角度都有可能。有種稱為陀螺儀的定向工具，也是一種玩具，現今的飛行器裡也安裝了這種感測裝置，只要中間的轉子開始轉動，便能發揮功能，而且轉速越快，抗拒方向改變的趨勢越大。

另外一種跟繩子有關的玩具變形而成為溜溜球，但轉動機制不同，跟繩長也無關

未施加外力時，也能因為重力力矩而轉動，並在繩子最末端反向轉回向上

溜溜球一開始啟動時，滯空時間短、轉速快且立即回到手中，所以定軸性高，較難感受到橫向轉動。但是當轉速不高時，便容易因為棉繩的扭力矩而有水平轉動的趨勢，這種現象在玩完溜溜球之後將繩子自然垂降時會特別明顯。