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2025年4月29日

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。

2022年10月4日

科學玩具-電學-紙盒銀行( Bank Carton )

初次看到這一款名為紙盒銀行( Bank Carton )的時候,原以為它是像貓掌分幣機透過硬幣導通電路而觸發內部機構運作,不過左瞧右看,找不到啟動的機制或金屬接點,因此透過金屬導通觸發的機制並未用在這一款存錢筒中。因此為了一探內部的玄機,只能拆了它。

拆開之後,一個觸動開關很明顯地矗立在舵機旁邊,看來就是全靠它了。當盛錢的平台被下壓時(也就是不管有沒有硬幣),透過槓桿壓制金屬簧片後即導通電路,使得舵機被啟動。

 
微動開關在這裡除了扮演發送電路訊號的重要角色外
也讓電路不是長期保持導通狀態

舵機主要是由外殼、電路板、驅動馬達、減速器與位置檢測元件所構成。工作原理大致是在舵機接收訊號後,由電路板上的IC驅動馬達轉動,再透過減速齒輪讓擺臂轉動,並由位置檢測器判斷定位訊號。

轉到另一面,即可看到偏心輪驅動擺臂進行有限角度的運動
當逆時針轉動的偏心輪軸驅動擺臂時,便能讓盛錢的平台被抬起

舵機的偏心輪軸與擺臂並非完全連動,而是在有限的圓弧上接觸,兩者接觸的過程中帶動擺臂,擺幅由接觸的時間及位置調節。但是當兩者脫離時,平台則是直接下落,因此整個紙箱銀行的盛錢平台就會抖抖抖的,(正)能量應該會被抖掉吧,再來段音樂應該會更low

2013年11月19日

科學玩具-電路-改裝冰塊燈

拆開那堅硬的冰塊燈外殼的方式,似乎就只有拿把榔頭將塑膠敲碎,不然想等它自然分解,應該是千年之後的事情。不過,如果別有用途的話,即使拿著榔頭也要小心翼翼地敲著,深怕一不注意用力過猛,將硬殼中的物品也順勢搗毀。由於是要研究裡面的電路有什麼特殊的設計,所以敲的時候不能太過隨性。

就像敲破玻璃一樣,總會有些碎片仍留在框上,所以還必須用尖嘴鉗將這些與研究不相關的碎片一一剔除。想將裸露的電路板拔出來的時候,不難發現一件重要的事,不輕易地讓人拔起的原因是來自於形狀,而且是釘狀的金屬接點。圓弧面的金屬接點有幾個優點,一是黏貼在塑膠外殼上時不會有太大的縫隙,加上一點黏膠後就可以防水,另外則是讓可以導電的外物(人體、金屬或水溶液之類的)碰觸時較無異物感。 
從這個方向來看,可以看出冰塊燈內部的電路是如何設計的
 三個圓圓的,中間有綠色小點的地方就是水銀電池所在的接點

排除這個因素之後,電路板其實就只是稍微被卡在狹小立方空間內的一塊平板而已。看著它的電路連接圖,突然有一種好想哭的感覺,因為根本沒有什麼特殊的電路原理應用,最重要的就是LED、控制燈光閃爍順序的晶片和三顆串聯的電池,其他什麼都沒有,而且很不環保。
小小的,一點都不起眼的晶片,卻是冰塊燈的靈魂
控制著閃光的順序,確保每一次的發光流程都是一致的

最占空間的反而是三個電池,不是增長使用時間的並聯,而是增加電壓的串聯
如何正負相接,其實細節就刻劃在電路板上

既然電路形成通路才能使電器正常運作,那麼水溶液中的離子扮演了溝通電路的角色,正離子移向負極,負離子移向正極,讓沒有電線的水溶液也能成為電路溝通的一部分。不過離子數量決定了電路溝通的難易,因此在確保冰塊燈可以作用下,電壓成了最重要的驅動力量,串聯的三顆電池初期為4.5伏特,利用較高的電壓讓電阻大或離子數少的部分也能成為電路的一部分。

既然明白了裡面並無太大的玄機,那就來改裝吧!將短短的金屬接點拔掉,用較長的迴紋針來替代,讓測試的範圍可以跟著延伸,改裝成一個小型的導電測試器,所需要用到的技巧的不過是焊接而已。由於電路板體積狹小,所以建議準備個附有夾子和放大鏡的的工作平臺,將板子固定住再焊接會節省很多時間。
沒有將迴紋針完全扳直,留下圓弧,接觸時不致刮磨或刺傷
確保焊接處的完整與固定,就可以讓它再發揮功能

了解了裡面的原理之後,其實剩下的就是如何包裝了,腦筋動得快的商人把這樣的裝置包覆在塑膠殼內,設計成在飲料裡閃閃發亮的冰塊燈,靠著一點點巧思賺到了不少錢,市面上還有功能相同但卻是其他不同包裝的商品,像是浮水燈、水生動物造型燈,多了些選擇,但是在防水防拆的前提下,卻也是環保的殺手。
只要確保不為斷路,測試之後當然是OK的,因為只是將接點延伸而已
所以在丟掉電器之前,不論大小,拆開來看看滿足自己的好奇心吧!

2013年8月29日

科學玩具-電學-發光溜溜球

溜溜球每隔幾年就會流行一陣子,這時候沉潛已久的高手就有機會站上屬於他們的舞台,表演各式各樣的花式招數,不但颳起國內的旋風,也能在世界級的比賽中一戰成名。從小時候把玩木製的或塑膠製的溜溜球,到現在有加入金屬配重的或是聲光效果的溜溜球,都能在小朋友心中占有一席之地。

近來的溜溜球造型也多元了起來,不再是圓餅型,連球形及啞鈴型也紛紛問世。如果造型不變,製造商就會在表面貼上酷炫的貼紙,或者是在空心的球殼中加入其他元素,最簡單的素材就是LED燈了。
發光溜溜球的球殼中,不再是空心,而是加入了電路元件
電路板上有電池、開關、電容和發光二極體

不過,如果是電路中時常保持通路的話,那麼即使沒有動到溜溜球,它也會發光,不但徒然耗電,也不是玩家所樂見,就好像小朋友穿著的發光鞋,踩下去才亮,沒動作的時候就不亮,如果沒動也會亮,不是很奇怪的一件事嗎?「不管如何都會亮」對小朋友來說,反而激不起去操弄它的慾望。

那麼,控制LED發光的開關究竟在哪裡呢?其實,就是橘色電容旁邊那那個藍色圓柱筒狀物,它不是水銀開關,而是滾珠開關。滾珠開關就是利用內部的小鋼珠滾動時,能與金屬接點暫時性的碰觸而產生通路或斷路的效果。因為它適合當被動元件使用,適合低電流,比使用水銀開關更加安全,所以才被選用在玩具中。
拿起來搖搖看,可以聽見小鋼珠滾動撞擊的聲音
利用圓形物體易滾動的特性,透過改變位置從而使開關閉合或斷開

至於改變鋼珠位置的力量來源呢?其實就是物體的慣性。進行圓周運動的物體時時刻刻都在改變方向,所以必須要有向心力作用在物體上,既不是讓物體加速,也不是讓物體減速。對系統而言,內部的任何物件如果都是固著在一起,那麼向心力就會讓所有物件進行同時受力而進行圓周運動。

可是,若內部的物件並非完全固著,也就是運動中可以改變位置或與系統不同步,那麼慣性就會使得該物件維持原來的運動狀態。這個意思就像是車輛轉彎時,車上的乘客並不是與車輛的運動同步,所以維持原本運動狀態的慣性使得乘客有被向外拋出去的感覺,這就是大家常掛在最上卻也常誤用的「離心力」,因為它不是真實的力量。
為什麼會座椅傾斜,而且乘客有被向外拋的感覺?
因為圓周運動中的遊樂設施每張座椅也正保持其慣性,乘客會不自覺地側身而坐

這就像把拖把倒立過來旋轉的模樣,拖把棉條看起來就像從軸心被向外甩飛出去一樣,而且轉速越快,越接近與地面水平。所以下次玩發光溜溜球時,記得要注意轉動快慢之間對於發光的影響,從中看出差異且明白箇中原理的話,就不再只是純粹的玩玩具、練招式,而是進階到內外雙修的境界。

2013年3月10日

科學玩具-電磁-電磁學現象示範模組


先不論不進實驗室做實驗的人,如果是常常接觸實驗室的人,應該會有以下這些類型,最單純的就是進實驗室做課本中的實驗,做完結束就關門,當然前提是有可以做實驗的設備。另外一種是做完實驗會帶著學生做額外的延伸實驗,自備器材讓學生在簡易的操作下讓學生有更多動手的經驗。還有一種類型的老師是會到器材準備室中挖寶,翻箱倒櫃的想看看裡面藏有什麼不為人知的寶物。

如果是新的實驗室,設備都可以在透明櫥櫃裡看得到,所以來回巡個幾次以後,心裡大概就有譜能做什麼樣的實驗、什麼時候該來借用東西。但是如果有機會進到較舊的實驗室,就有點像在迷宮裡探險一樣,會在無預期的狀況下找到令人訝異的東西。

之所以會有這樣的狀況,不外乎兩個原因。第一是實驗室沒人管,這是很多學校的通病,慘烈的狀況就有如千瘡百孔的戰場般,想得到的東西可以到處都有。第二是實驗室有設備組管理,但不是自然科教師,所以儀器設備沒有系統化的分類歸位,只能靠使用的自然科教師使用完後再擺回去。問題在於不是每一個自然老師用完儀器設備後都會指導學生放回原來位置,也不一定會要求學生將實驗室回復到原來的樣貌。所以在有權利使用卻無義務清理的奇特現象下,實驗室只能任人蹂躪,這是看得到卻不一定管得到的病態。

我進到實驗室之後通常會先尋寶,看看有沒有意料之外的隱藏版物品,尋覓的過程中有時候會感到很惋惜,因為一些設備無法擺放至櫥櫃中,尤其是在空氣中暴露久了之後真的會有氧化的現象,導致讓人使用的意願大幅降低,殊為可惜。還有些是擺在不透明的櫃子裡,沒有標籤或不打開的話,真的就不知道裡面有什麼。

不過實驗室裡面數一數二笨重的東西,大概就是電源供應器了,除了這個必須用到的設備以外,我還曾經發現過一個有年代不過卻很好用的電磁學現象示範模組,整個外觀就像是有稜有角、四四方方的化妝盒,重量還不輕,如果不打開來看,還真的不曉得裡面是做什麼大事業的。
原先看到底下的電壓與電流的儀表,以為它僅僅是小一號的電源供應器
不過右下角的「電磁學現象示範器」的標籤,卻讓人想打開這像是潘朵拉的寶盒

打開上方盒蓋,發現裡面有上下兩層,就像珠寶盒一樣可以把上層拿起來。搭配說明書再看看裡面的配備,除了基本的串並聯電路實驗之外,曾經聽過或看過的電流的三大效應中的磁效應以及熱效應的實驗,幾乎都可以拿出來做了,而且還有些生活科技的題材可以發揮,可以做的實驗至少有三十個。
左邊是專用的電源線,右側則是裝有鐵粉的壓克力盒
中間有色輪、漆包線圈、指南針以及湯姆森環

下層有共軛線圈及鐵芯、手持鈴鐺、鼠籠式滾輪、燈泡與鐵塊
而且還有阿拉戈圓盤(磁效應與渦電流)和電熱片(熱效應)耶

學生在看到這組儀器出現的時候應該已經國三下學期了,以前的模式是我做給學生們看,畢竟沒有辦法六張桌子一桌一套,所以在依照說明書的安全操作下,學生們只能遙望這些神奇的現象。最常做的就是彈跳的湯姆森環(渦電流電磁砲)、吸力強大到無法徒手拔開的直流電磁鐵以及交流電下反覆振動的手持鈴鈴鐺。
在線圈所包圍的鐵芯上面放上鐵塊,通電之後在鐵芯內部形成封閉的磁力線
逐漸加大直流電壓與電流之後,可以親手體驗到電磁鐵強大的力量

不過今年我反向操弄,在第八節的時候讓學生們自己看說明書並且做給我看,效果也不錯,尤其是在不是以第一志願為目標的學生身上,我看得到他們眼睛裡的光輝,雖然也是在做實驗,也可以說是玩科學,但是主角變成了他們,讓他們在我面前把貴森森的、又大又笨重的冰冷方塊活化起來。訓練他們學會看說明書,至少按圖索驥之後能得到愉快且成功的經驗,如此一來,能留給他們的應該不是只有課本上的重點筆記而已。

科學遊戲-電學-空氣電池


每個星期我都會問正在讀小四的兒子一些問題,其中也包含他的社團在這個星期做了哪種實驗,然後我再試著從他的敘述當中還原現場。星期天,他跟我說星期五的社團時間,學校老師教他們使用鋁杯、活性炭以及食鹽水等等做空氣電池的實驗,結果只有一組做出讓LED亮起來的效果。

在我不斷的詰問(這是很恐怖的)下,大概得出社團老師是先放了一段影片,引用名偵探柯南動漫影片裡的一個橋段,將空氣電池的概念引進來。有了引起動機的問題與情境之後,接著就要挑戰場景的重現。老師開始提相關器材,分組操作,至於教師怎麼引導學生的倒是沒有問得很詳細,因為每個人的風格本來就不一樣。不過,只有一件事讓我很納悶,因為兒子說:「社團老師不知道食鹽水、活性炭和不織布的比例,所以不知道為什麼會失敗。」

「來,我做給你看!」職業病又出來了,不過不是真的操作,而是拿出國三下學期的光碟,播放之前幫出版社拍的科學遊戲影片,裡面那個人會做給你看,偏偏那個人就是我。自己的影片放完了,也順便將林宣安老師的燃料電池影片播放一下,不過看過當然不等於會操作,所以我開始從電學教材的收納盒中找出器材包,實際操作一次,也請兒子在旁邊當助手。

本來信心滿滿的我,拿出一個個鋁杯排成圓形,請助手將碳棒包在不織布中再用橡皮筋綁起來,將碳棒電極用鱷魚夾串聯後擺在鋁杯內,最後倒入食鹽水。ㄐㄧㄤ~ㄐㄧㄤ!鱷魚夾上的LED應該放出光芒囉!準備崇拜我吧,兒子!

可是LED並沒有如預期般地發出光芒,怎麼可能?到底哪個環節出了問題?「有問題就要解決,幫我檢查看看。」我當下這麼告訴兒子。正當我思索著「會不會是斷路?」、「有沒有可能LED正負極接錯?」、「倒進鋁杯內的透明液體究竟是不是食鹽水?」……

目光飄到烏黑的碳棒上後,一切的迷霧都變得明朗起來,原來我把所有的鱷魚夾都夾在鋁杯裡的碳棒上了,而且每個鋁杯中竟然放了兩支碳棒!只有連接著充作惰性電極的碳棒怎麼可能驅動電子流動!
親子玩科學,也從做中學
解決小朋友的問題,也同時讓我反省自己該從問題的原點思考

「我怎麼會犯這種錯誤?白痴!」在發現原因後喃喃自語著。兒子在一旁補充:「沒關係啊,人偶爾都會有犯錯的時候,改過來就好啦!」反倒是小孩來安慰大人了。

也對!亡羊補牢,為時不晚。先將鱷魚夾鬆開,拿出多餘的碳棒。保持一個鋁杯配上一組使用不織布包起來的碳棒電極,也讓鋁杯與碳棒不直接接觸。檢查杯內食鹽水的高度,讓不織布充分浸潤。鱷魚夾一端夾著碳棒,另一端夾著鋁杯邊緣,形成串聯線路,最後將LED長短腳接上時,當然這次就毫無意外地通電發光囉!
基本上,一組不行,兩組勉強,三組就可以看到亮光了

基本的串聯電路解釋過後,後來還加碼進行一組至四組空氣電池的LED亮度比較,還有讓小朋友看到碳棒與鋁杯接觸時LED亮度減弱的現象,解釋了為什麼要用不織布隔開碳棒和鋁杯的原因,最後還把電池放置一段時間,觀察鋁杯破洞的現象。兒子!只要你有心想問,我都會給額外的Bonus哪!
鋁杯內側浸有食鹽水的部位會電離出來鋁離子,久了之後表面凹凸不平而失去光澤
如果反應久了以後,甚至可以看到破洞出現