2012年12月27日

科學玩具-運動學-諾亞方舟

這個構造簡單的木製玩具,取名為「諾亞方舟」,是我五、六年前就已經在大創百貨的玩具區買到。偶爾到這種百貨用品店中,其實可能不時會發現一些新玩意兒,有的甚至是台灣已經不再製造的童玩。
除了擺放用的底座以外,玩具的主體是一艘船頂密閉且具有弧形底面的木製船身。船身中央有凹槽及小分隔板,兩邊各有一顆小鋼珠,因為船內凹槽的兩側比中間高,所以鋼珠平時是在凹槽底部,而且兩端各有一個用來擺放小鋼珠的U型槽。
問題來了!怎麼樣才能讓兩邊的小鋼珠都同時跑到凹槽內呢?在破解這個玩具的過程中,可以學到牛頓發現的第一個運動定律-慣性定律!只要將兩顆小鋼珠調整後擺在兩邊的凹槽中,經過高速而穩定的旋轉,技巧是:一定要穩定!除非你的動態視力非常好,可以看到鋼珠滾動的過程,不然還是乖乖地等方舟停下來,鋼珠即可因慣性作用而安穩地座落在U型槽中。
拿給學生們做第一次接觸的時候,大部分的人的第一個直覺反應都一樣,就是拿起來搖一搖,或者是用傾斜船身的方法。如果其中一顆小鋼珠滾進了U型槽,那麼這時候另一顆小鋼珠受到重力的吸引,就會脫離U型槽而回中間分隔板的位置。魚與熊掌不能兼得,好像往哪一邊傾倒都沒辦法順利地將兩顆小鋼珠同時放到U型槽內,順了姑意違了嫂意,似乎兩面不是人的樣子。

這是因為所有的物體都有一種保持原來運動狀態的特性,也就是慣性-靜者恆靜,動者恆做等速度直線運動。當船體繞著軸心在做圓周運動時,小鋼珠因為本身的慣性,所以傾向保持直線運動,加上船身旋轉時的撞擊力,所以會較之前遠離轉動的軸心。相對於船身來說,就造成小鋼珠被向外拋的感覺,因此而落入兩端的U型槽中。
這是另一種古老而有趣的智力玩具-十字鎖,原理和方舟相同
是利用隱藏在兩根垂直木條中的小圓桿做為卡榫
想要分開兩根木條,是不能用暴力的,只能智取

有些人會把離心力的觀念引入,把這種遠離轉動軸心的現象稱之為離心力的作用。但要小心的解釋離心力本身並不是一個真正的力,它只是一個構念,是一種假力,方便我們用來描述不同座標系中的觀測者所看的現象。

想一想,有些鹹酥雞攤販在將食物交給顧客之前,會先把食物放在高速旋轉的桶子中「處理」一下,請參考生活科學-運動學-王大胖減肥全靠它,這跟洗衣機在洗衣流程的最後一個脫水步驟有什麼異曲同工之妙呢?

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