親子活動(三十八)太陽能轉輪玩具

生活科學趣談

https://youtu.be/rbWdGzeQqk4?t=11s

材料:附杯蓋的PP冷飲杯×2、黑色塑膠袋、瓦楞紙板、保麗龍板(珍珠板)、木製細圓棍、珠針、寬2公分的透明膠帶、熱熔膠槍

製作方法:

步驟:
1. 在二個冷飲杯的底部圓心處挖出恰可穿過木棍的孔洞(註:可使用熱熔槍來熔)
2. 裁出一塊比杯底半徑小的保麗龍圓板(註:上則影片是比杯底大,經測試這種效果較差),中心處挖個能讓木棍穿過的孔洞
3. 將木棍穿冷飲杯與保麗龍板,木棍的兩端須露出於杯子上緣之外,以熱熔膠槍將兩個杯底與保麗龍黏合

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4. 將黑色塑膠袋剪出寬2公分而長度比連接後杯子長度還多兩公分的塑膠條(註:以美工刀在切割墊上將塑膠袋疊合幾層來切割會比較省工)
5. 剪下4公分長度的透明膠帶20條黏於桌邊備用,然後以膠帶黏住塑膠條的末端一公分,將其貼入杯子的上緣內部(塑膠條有1公分長度在杯內)。同樣的模式再將另一條塑膠條貼在鄰側,直到杯內貼滿一圈的塑膠條為止

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6. 裁出一塊剛好能塞入杯口的瓦楞紙圓板,紙板中央挖洞讓木棍能穿出,再以4條透明膠帶將瓦楞紙固定在杯緣上
7. 將一個杯蓋的中央剪出一個洞口半徑約為杯口半徑一半的孔洞,然後將此杯蓋蓋住另一個杯子的杯緣
8. 開始將塑膠條的另一端以透明膠帶在繃緊的情況下貼在杯蓋上,貼的方式是以對角線鎖車輪螺絲的模式來貼,如此即可避免杯子變形導致重心偏移中心軸,直到固定完所有的塑膠條(註:塑膠條若能適當的拉伸延展後才來貼,效果會更好,原則上以不拉斷塑膠條的力道盡量將塑膠條拉長,這樣受熱時的形變效果最佳)
9. 將珠針刺入木棍的兩端,然後置放在支撐架上即成。

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科學原理:
塑膠與橡膠在吸熱時會收縮,原理請參考先前這篇→《橡皮筋的彈性致冷》。由於杯子有一端的杯口並未固定在中心軸上,因此收縮的塑膠條就會將這個杯子拉彎,造成重心偏離中心軸而移往收縮塑膠條的方向。加上陽光是從上方照下來,受熱的塑膠條位於上方,於是造成重心移往支撐軸上方。這種重心偏上是一種不穩定的狀態,因此重心就會藉由移往支撐軸下方來尋求穩定狀態,表現出來的現象就是這條受熱的塑膠條會從高處滾落下來,來到下方陰涼處就會散熱而恢復原長。這時位於其上方的塑膠條又會吸熱而收縮,於是重心再度爬升。這種現象繼續下去,杯子就能持續轉動了~

測試實驗:燈光照射前方的黑色塑膠條時,受熱而暫時繃緊的塑膠條將兩個杯子拉成 ︿ 形狀,重心因而偏移到前方,於是重力對轉軸產生一個方向向右的力矩而開始旋轉,實驗結果符合前面提及的科學原理。