生活科學－簡單機械－野球盤

除了英勇救火員以外，小時候在同學家也玩過棒球遊戲盤，當時的玩具設計雖然簡單，但在當時一切簡單的年代裡，心中揣著對方接下來要投的球路，仍足以讓小孩興奮、著迷許久。時隔多年之後，看到這組遊戲盤仍能想起以前的單純時光。

小而精緻的它，除了自動收回鋼珠，還有投球、打擊、跑壘、計分顯示等功能
揮棒會用到三壘側外面的長桿，原理是彈簧與簡單機械（輪軸、齒輪和槓桿）

其實觀察擊球之後落點分布，只要能打擊出去，大部分是可以推進壘包甚至得分的（中間是全壘打、左右兩側有一壘打、二壘打、三壘打、出局及界外球），除了中間須飛越過投手丘，才能到達的後方全壘打得分區之外，有高達５分之３的機會是安打。當然，前提是揮棒時能確實打到。

守備方可以投出簡單的外角球、內角球或正中直球來對決
進攻方須猜測球路，決定是否出棒揮擊

進攻方揮棒之後的結果，大致上分為揮棒落空、打擊出去形成安打或出局（投手前滾地球、外野接殺出局、界外飛球、三振）等等。一壘側外面有好球、壞球及出局數的計數轉盤，當然也是人工操作。

最後要注意的是，棒球盤得放在沒有坡度且平坦的地方使用，不然會造成特定的條件，對守備或是進攻單方面有利。過程中的專注、反應和策略使用不同於數位遊戲，完全由真實世界的物理法則決定結果，而且可以和真人現場互動，是我喜歡它的原因。

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）。

生活科學－簡單機械－瓜子剝殼器

以前在五金大賣場買了這個小用具，一直沒機會用到，真正需要它的時候應該也是逢年過節打發時間時。本來是不需要這個東西的，只是年紀越來越大，相對的瓜子殼越來越硬的時候，就覺得應該派它出場了。「感受」像是釀起來存放的酒，久了自然會有不同的風味。

不善於或不喜歡用牙齒咬瓜子的人的輔具

它的原理和剝核桃殼的工具相同，都是槓桿原理的應用

使用方法也很簡單，把瓜子剝殼器翻面，將瓜子放在夾臂中就可以了。接著將夾臂內壓，就像使用握力練習器般，輕輕鬆鬆就能讓瓜子殼裂開，取出果仁後即可食用。

兩側的白色夾臂的夾壓動作取代了人的上下排牙齒的咬合，而且降低瓜子殼卡在齒縫中的機會。其中的槓桿屬於省力的應用，亦即抗力在中間，施力在外側的形式，抗力就是物品（瓜子殼），接近支點，所以抗力臂短，而手握在夾臂上施力，施力臂相對長了許多。

【槓桿原理：施力↓ × 施力臂↑ = 抗力↑ × 抗力臂↓】

 

使用方式是讓瓜子尖端朝前、鈍端朝後

可是瓜子尖端為何要朝前？鈍端朝前不行嗎？

瓜子鈍端或尖端朝前擺放當然都可以被夾破，但是由於夾臂展開的角度不同，造成施力時的起始角度也不同，因此使用的力量大小當然不一樣。另外，瓜子殼並非平面，而是中央稍比邊緣隆起，所以當外力向內擠壓時，上下殼分裂開來，殼片的中央僅是稍稍隆起。這兩項因素可以帶著學生再朝向分力的概念繼續探究下去。

對於正常的瓜子是蠻好使用的，這裡所謂正常的瓜子是平坦而弧度小的，殼一夾就裂開成兩片，取用果仁也方便。但是如果遇到表面呈波浪摺皺的瓜子，一夾下去，不但瓜子殼會沿摺皺裂成好幾片，內部也難以倖免地成為碎片，裡面的果仁本來就已經是薄片了，碎裂後吃起來更沒有過癮的感覺。

生活科學－簡單機械－鬧鐘

這一台鬧鐘是國中時期家母買給我的，一直陪伴我到現在，算一算也超過25年的歷史，期間也數不清它在半夜、凌晨叫過我多少次，只知道它提醒過我許多重要的時刻。只是，幾年前它突然不叫了，失去了鬧鐘響鈴的功能，僅剩時間指示功能，不特別注意，它也真的是默默地站在那邊等待關愛的眼神。

 
物品好好用，真的可以用很久
 SEIKO的機芯運轉與耐久性真的會讓我有極高的意願繼續購買這個廠牌的產品

既然有了小小的問題，當然是勾起從小就把286電腦拆了的我的修理魂。不過，真的動手拆解卻是在幾年後，除了因為忙於學校行政業務、營隊外務之外，也由於智慧型手機也有鬧鐘功能，讓人總有理由把它晾在一旁。也就這樣看了它好長好長一段時間，直到太太想買新鬧鐘……可是它又不是真的壞了。

所以，這個小小的活化能讓我動了起來，想到就拆，不然會有下一個幾年後再說。拆解順序如後，一開始使用一字起子將前蓋透明板取下，接著拿下秒針、分針、時針和鬧鈴指示針，這樣前面的拆解就已完成。後面則是將電池蓋取下，用十字起子卸下後方外殼，轉下固定螺絲，即可取出核心機組。

大致上可以拆成這樣，想要續拆當然可以，但是重點是鬧鈴功能修復
因此目前拆解到這個地步就行了

核心機組又可以分成三個互相制動的部份：電池座、振盪控制模組和鬧鈴。也因為拆了以後，才知道裡面原來是這麼設計的，也才明白急促的ㄌㄧㄤ…ㄌㄧㄤ聲是透過什麼樣的機制產生。

右方為電池（直流電源），可以思考一下為何不用交流電哦
中間的白色板子和彈簧是控制左方馬達的通路與否

當白色板子升高時，連接馬達的線路為通路，一旦運轉到設定的時間，馬達隨即啟動運轉，這時噪音般的聲響大作，直到有人按下停止按鈕（白色板子降低，連接馬達的線路為斷路）為止。當然也有機會是人為的非典型中斷行為讓聲響停止，像是鬧鐘被迫飛在空中，劃出一道弧線後碰撞地（牆）面讓內部電池脫落，或是直接被硬物（鐵鎚、鐵拳、鐵腿之類的……）敲壞。

 

馬達軸心上並不如想像中的是一條硬棍，像敲木魚般一直敲
而是透過兩個小圓環，敲擊後再滾轉過去

原來，秘訣就在於馬達軸心上的塑膠棒兩端各套有一個金屬小圓環，馬達軸心轉動時，帶動小圓環撞擊附近的響鈴，而且是旋轉每180度撞擊一次（轉1圈可撞2次），而且圓環沒有稜角，不會在撞擊後卡在響鈴上，因此大家耳熟能詳的、讓人腎上腺素上升的、非把你吵醒不可的奪命連環鈴聲才會不絕於耳，但這樣的設計真的實用又有趣。

科學展覽品－簡單機械－汲水工具

這一陣子常跑科工館，不僅僅是求學時常去的充電站，也是因為現在與它共同合作一個教育部專案－科學學習中心，身為模組開發教師的任務之一，就是要針對館內各區的展品提供一些教學上的建議，讓近來參訪的親、師、生，可以將所見所得與學校課程做更多的連結。

四樓的展館一進去就會看到古老的工具，這些工具與文明發展息息相關，而文明發展往往可以說是與水親近的過程，因此如何取水、用水，便成了當時生活命脈發展的重點之一。除了實體以外，解說板中的文字也是經過考據，不只是走馬看花，而是讓展覽更為知性。

這種有趣的取水容器，形狀類似橄欖，稱為汲水陶罐

說明已經很完整，還可以朝向它的重心與浮心的位置做進一步研究

虛則攲，中則正，滿則覆《荀子，宥座》

汲水陶罐，是新石器時代半坡人使用的汲水器，空罐時，陶罐重心在兩耳之間，稍一搖晃，罐身傾斜。汲水時，罐底接觸水面，因水的浮力作用，罐身傾斜，水便流入罐內。水滿時，重心又回到兩耳之間，輕按罐口，即可將水瀉出。只有半罐水時，重心較低：「滿招損，謙受益」，「滿則覆」的汲水陶罐正好具體的說明了這個道理。

有趣的汲水工具還不只這個，使用了簡單機械的桔橰，也是重點發明之一，投石車也應用了類似的槓桿機制，只是從低處提升上來的水並不會被拋投出去。這裡應用的槓桿施力處可以使用人力（左方圖繪），當然也可以借助獸力（右側照片），只要原理對了，變化就出來了。

桔橰的設計必須是種省力的取水工具，才不會讓過程變得困難、費力

但若繩子只是架在橫木上滑動，動物就會備感辛苦，得要克服重力與摩擦力

引之則俯，舍之則仰《莊子，天運篇》

桔橰是我國古代汲水工具，用繩子將水桶懸在橫木的一端，另一端則繫重物，利用槓桿原理，使水桶及重物上下交替，以節省汲水的力量。這種製作簡便的工具，是農家最常用的器具，我國早在西元前一千七百多年便使用這種工具，傳說是伊尹發明的。西方使用這類工具，則比中國文獻記載約遲了一、二百年。

現在的龍骨車設置的目的多為觀光、體驗用途，科學遊樂園也看得到

足踏方式可分為單人操作和雙人協力的版本

灌水自覆，更入更出《三國志，杜夔傳》

龍骨車，又稱水車或翻車。主要裝置是一環鏈，鏈上有一片接一片的刮水板。當鏈上行時，利用刮水板在木槽中刮水上升，可將低處的水排入較高地區的河流或田地，它的操作方式有手搖、足踏及獸力帶動等，從宋代開始，龍骨車就已成為我國主要的灌溉和排水機具了。

如果健身運動館的器材能將動能轉化成電能，運動兼發電就是一舉兩得，不論是承重式的、踩踏式的或是滑走式的，運動時需要的空調電能或運動完後需要的溫水加熱或多或少透過自己貢獻一些，這樣的產能節能雖然只是杯水車薪，但總比什麼都不做來得好。

生活科學－簡單機械－垃圾拾取器

簡單機械在生活當中處處可見，但是幾乎讓人忘了它的存在，它幫我們解決了很多事情，可以是省力或省時，又或者是操作方便。給我們帶來的是生活上的便利性，使用工具的習慣讓文明與歷史向前邁進一大步，而材料與力學的推波助瀾更是幕後的功臣。

在正常的情況下，作功所輸入的能量往往會被外界環境的因素所消耗掉一部分，這一部分可大可小，端視阻力所作的負功大小而定，而往往摩擦力的影響就佔了很大的一部分，所付出的與所獲得的不相等，因此大家常聽到的能源轉換效率才會一直小於一，就好像在繳過路費一樣。

不過，只要將各類型的簡單機械組合起來，就會出現很多不一樣的形式，提供各種不同的功能。香港迪士尼人來人往的園區裡，在小孩子等待爆米花裝盒的同時，一旁獵豔的……嗯……獵取經驗的我看到了一個蠻好用的工具。一位工作人員在撿拾只顧享樂卻把公德心順手丟棄的遊客所一併留下的廢棄垃圾。

這不是拐杖，而是垃圾拾取器，不用彎腰就可以將地面的物品夾起來

這樣方便的工具裡面也應用了簡單的科學原理

大家手邊沒有工具時，想把看到的垃圾撿起來時，應該不外乎兩種動作，一是蹲下，二是彎腰，相信這些的動作對年輕小朋友來說或許不是甚麼太大的負擔，但是對於以清潔為主的工作人員而言，這可是一直磨損與使用膝關節、腰部脊椎的重複性工作，長久下來會有職業傷害的，因此這種可以優雅的站著使用的垃圾拾取器對於服務人員來說是一大福音。

它所使用的就是槓桿原理，利用手掌將施力端朝掌心握緊，那麼抗力端便能夾緊。此外也利用金屬與彈簧的彈性，讓金屬變形之後可以恢復原來的弧度，使內部彈簧可以縮短回沒有受力的狀態，所以前端的夾子方能再度打開。另外，夾子末端使用黑色圓型的橡皮墊是為了增加摩擦力，加上溝槽的輔助，可以讓地面的垃圾被壓著後彎曲變形，就像人的拇指與其餘四指般地將垃圾夾起。

善用工具，做起事來可以更有效率，選對工具更可以減少無謂時間的浪費，是方便的利器而不是傷人的武器。思維決定了行事模式，眼界限制了氣度範疇，如果主事者去國外考察的、所帶回來的能對國內有實質幫助，能讓第一線執行人員感受到，相信民眾都會支持，國外企業對員工的支持與對形象維護的用心，絕不是那A4格式抄抄寫寫的考察報告就能交差了事，試著讓人民生活在美好的環境中，其實不難。

生活科學－簡單機械－嬰兒物理學貳部曲（奶瓶刷）

原文發表於Yahoo奇摩部落格2012年07月23日。

問過身邊幾位理化老師，從國小到國中，也從男性到女性，如果有很長一段時間沒有照顧嬰幼兒或比較沒有經手小孩子生活起居的人，應該是不知道我當時在描述什麼，甚至回答不出來這是什麼物品以及它具有什麼功能的。倘若小孩子喝的是奶粉類沖泡的流體食物，那麼它在這些家庭面算是必備品之一，因為在刷洗奶瓶的內壁上是個方便的工具。

奶瓶刷，顧名思義，是用來刷洗奶瓶的

刷毛材質有分成海綿狀以及刷毛狀這兩種，柄的造型也有兩大類

在實驗室打滾久了，就不會不知道試管刷這個東西，棕黑色的刷毛配上如同麻花捲纏繞的鐵絲直柄，在每次學生做完實驗後總是會希望他們把玻璃器皿沖刷乾淨，留給下一個使用班級良好的實驗典範，也讓別人在使用這些器材時沒有太多疑慮、抱怨，或因為藥品殘留而產出不該發生的實驗結果。

可是，鐵絲直柄還蠻容易因為用力而彎曲，而且在刷洗的當下，雙手總要拿著刷子或器皿相互以反方向旋轉，才能縮短時程。此時，常需要洗奶瓶的我不禁想起家裡的奶瓶刷，為什麼實驗室的刷子不能設計成這樣呢？

手握著白色的握把，而握把與藍色曲柄並非一體成型

另外一端的黃色和米色海綿是被夾著的，這樣的摺皺剛好適合奶瓶的大小

因為奶瓶刷是採用輪軸型態的曲柄設計，而試管刷則採用用力在軸心上的直柄設計，在這類輪軸工具的設計中，如果施力在軸上的工具是屬於費力的，而施力在輪上的工具是屬於省力的。

我在猜想，會不會是因為刷洗的殘留物不同而造成設計上的不同呢？因為實驗室藥品的殘留對於後續實驗的影響頗大，尤其是乾掉之後就難以去除的頑垢，所以才希望能盡量用力刷乾淨，不要留待日後再處理。而奶瓶內的殘留物要變得很硬的可能性微乎其微，所以不需要過於用力，而且也避免刮傷奶瓶，讓細菌病源有滋生的場所，所以才在設計上以方便使用為優先考量。

刷頭是由兩片海綿交叉疊合而成，夾起來就像是十字花瓣一樣

當海綿被旋轉、擠壓的時候仍有空間可以容納而不致變形太多

唯一會使海綿受損的地方是在奶瓶瓶口，瓶口的口徑較瓶身小，所以將海綿擠進去時會不時被瓶口邊緣切到，所以海綿前端是最容易「開花」的部分。正常使用下，就只有這個地方會壞，我則是留下硬質塑膠的部分，因為看到這個曲柄，我立即聯想到阿基米德螺旋泵，而且毋須另外製作握把，只要在前端加上幾片螺旋扇葉，就可以完成這個偉大的工程著作。

左手握著奶瓶，右手只要小幅度轉圈，海綿就能快速旋轉

由於奶瓶內壁和海綿蠻貼合的，所以三兩下便能完成刷洗工作

不過……老婆最近還是洗斷一根塑膠柄，可見力氣之大，我不得不懾服。