生活中的科學EP11-滾輪式發球機

浣熊老師

Jan 19, 2024 • 13 min read

大家好我是浣熊老師，不知道各位有沒有玩過棒球的經驗呢?
棒球(Baseball)是臺灣的國球，屬於一種多人的球類運動，當打者用球棒將投手投出的球擊出後可以進行跑壘，若是成功回到本壘後便能得分。為了訓練打者的打擊技巧，球團會使用一種名為發球機(Pitching Machine)的機器，發球機能夠取代投手將棒球投出，避免投手長時間投球造成疲勞或損傷。

市售的發球機非常多種，浣熊老師今天要教大家做的是滾輪式發球機，滾輪式發球機具有上、下兩個能高速轉動的滾輪，當棒球經過兩個滾輪之間時，會被滾輪加速，並朝著打者的方向飛出，現在就讓浣熊老師一步步教大家如何製做滾輪式發球機吧！

◆ 組裝步驟

第一步我們要來製做滾輪式發球機的主體，需要使用到5x15孔長方框、5孔超長條以及長結合鍵(圖一)，將它們依照圖示結合在一起(圖二)。

第二步要來加固滾輪式發球機的主體，主要使用到9孔長條以及長結合鍵(圖三)，將它們依照圖示安裝在主體上方 (圖四)。

第三步我們要來製做滾輪式發球機的上方滾輪，需要使用到OD33mm滑輪、OD36mm橡膠圈、60T齒輪以及100MMII軸(圖五)，將它們依照圖示安裝在滾輪式發球機的主體(圖六)。

第四步我們要來製做滾輪式發球機的下方滾輪，需要使用到OD33mm滑輪、OD36mm橡膠圈、80T齒輪、20T齒輪以及100MMII軸(圖七)，將它們依照圖示安裝在滾輪式發球機的主體(圖八)。

在我們完成上方滾輪和下方滾輪的安裝後，需手動調整OD33mm滑輪的位置，確認上、下兩組的OD33mm滑輪之間留有約2~3cm的間距(圖九)，同時確認兩根100MMII軸能夠順暢轉動，這麼做能夠防止棒球卡在兩組滾輪之間，並讓棒球發射得更加順利。

第五步要為滾輪式發球機安裝動力機構，需要使用20T齒輪、3孔超長條以及氣動套組(#1238RR)中的單線軸馬達(圖十)，依照圖示將3孔超長條和20T齒輪安裝在單線軸馬達上，完成部件A的製作(圖十一)。

接著依照圖示將完成的部件A與滾輪式發球機的主體進行結合(圖十二)，在安裝時需要調整兩個20T齒輪的位置，並確認20T齒輪之間彼此嚙合(圖十三)。

第六步要製做的是滾輪式發球機的腳架，需要使用到5x5孔正方框、5x10孔長方框、11孔長條以及長結合鍵(圖十四)，將它們依照圖示組裝成部件B(圖十五)。

再來要製做的是滾輪式發球機的旋轉平台，一共由部件C、D、E組成。

第七步要製做的是部件C，需要使用到5x10孔長方框、60T齒輪、5孔長條、長結合鍵、30mmII軸以及軸轉接器(圖十六)，將它們依照圖示組裝後會得到部件C以及一根30mmII軸(圖十七)。

第八步要製做的是部件D，需要使用到5x10孔長方框、3孔超長條、70mmII軸、軸固定鍵、曲軸以及渦桿(圖十八)，將它們依照圖示組裝後，會完成一個能夠透過曲軸轉動的渦桿組(圖十九)。

第九步要製做的是部件E，需要使用到5x10孔長方框、4.5V單孔開關電池座以及3顆AA鹼性電池(圖二十)，將放入電池的4.5V單孔開關電池座和5x10孔長方框相互結合後，完成部件E的製作(圖二一)。

第十步需要將前面完成的部件C、D、E組裝在一起。

首先依照圖示將部件C的30mmII軸穿過部件E的孔洞，接著將部件C的60T齒輪與部件D的孔洞對齊，並穿過第七步中多出來的30mmII軸(留意30mmII軸的卡榫方向)(圖二二)，完成旋轉平台的組裝(圖二三)。

第十一步要結合滾輪式發球機的腳架以及旋轉平台，將完成的旋轉平台安裝在部件B上方(圖二四)。

接著我們可以來測試看看旋轉平台的功能，只要用手持續轉動曲軸，旋轉平台就會緩慢的進行轉動(影片一)。若旋轉平台沒有轉動的話，可以檢查60T齒輪和渦桿之間的位置是否安裝錯誤，當60T齒輪和渦桿嚙合在一起時，旋轉平台才能正常進行運作(圖二五)。

(影片一)

第十二步要結合滾輪式發球機的主體以及旋轉平台，將完成的主體安裝在旋轉平台的上方(圖二六)，並將單線軸馬達的接頭安裝在4.5V單孔開關電池座的腳位上(圖二七)。

第十二步要製做的是滾輪式發球機的軌道，需要使用到15孔超長條、5孔長條、長結合鍵以及短結合鍵(圖二八)，將它們依照圖示組裝成部件F(圖二九)。

最後依照圖示將完成的部件F安裝在主體的後方(圖三十)，並調整15孔超長條的角度，確保棒球可以順利滾入兩組OD33mm滑輪之間，滾輪式發球機的模型就完成啦٩(๑>∀<๑)۶(圖三一)。

◆ 模型操作

現在就讓我們來操作滾輪式發球機吧！
首先我們需要準備用來投擲的棒球，浣熊老師這邊選用的是一般的保麗龍球，或是使用直徑約在4cm左右的球(圖三二)，因此也可以使用乒乓球或智高創新實驗室中的40mm圓球(7330-W11-M1B)唷。

一開始我們要打開4.5V單孔開關電池座的開關，並確保兩組OD33mm滑輪的轉動方向朝向前方，才能順利將保麗龍球發射出去，接著放上保麗龍球，當保麗龍球沿著軌道滾入主體時，會被高速轉動的OD36mm橡膠圈加速，進而被發射出去唷。你也可以轉動曲軸，透過旋轉平台的轉動來改變發球的角度(00:16~00:22)，一起來當個小小投手，找到可以將球投得最遠的發球角度吧(影片二)！

(影片二)

(影片三)

(影片四)

◆ 問題排除

若你的滾輪式發球機無法順利投出保麗龍球，可以參考以下解決方法：

1. 使用全新的AA鹼性電池。

2. 檢查20T齒輪之間的嚙合狀況，太緊、太鬆皆可能導致發球失敗。

3. 調整20T齒輪、60T齒輪以及80T齒輪在100MMII軸上的位置，若齒輪安裝得太緊且摩擦到5x15孔長方框的話，便會影響到100MMII軸的轉動速度。

4. 確認上、下兩組OD33mm滑輪之間的間距，應介於2~3cm之間，間距太近、太遠皆可能導致發球失敗。

5. 使用抹布沾取清水擦拭OD36mm橡膠圈上的灰塵，灰塵會減少保麗龍球與OD36mm橡膠圈之間摩擦力，影響發球效果。

◆結語

透過這次所製作的滾輪式發球機模型，我們發現有許多因素會影響到發球的效果，如：OD33mm滑輪之間的間距、OD36mm橡膠圈與球之間摩擦力、發射的角度、不同球種的選擇...等。我們可以透過實驗，一步一步找出每個因素的最佳配置，試著用最好的配置，來讓棒球飛得最快或最遠吧！你也可以試著製做九宮格標靶，比比看誰的滾輪式發球機丟得最準哦~

今天的分享就到這邊，喜歡這篇文章的話記得幫浣熊老師大力分享出去，我們下次見囉，拜拜！

◆科學原理：

滾輪式發球機模型使用到了齒輪傳動、蝸桿傳動和摩擦力的科學原理，首先，當60T齒輪和80T齒輪嚙合時，兩者的旋轉方向會相反，這使得中間的保麗龍球可以朝著與兩個齒輪一致的方向射出(圖三三)。接著當我們轉動曲柄時，可以透過渦桿(蝸桿)帶動60T齒輪(蝸輪)轉動，連帶改變滾輪式發球機的發球角度(圖三四)。摩擦力則是作用於OD36mm橡膠圈與保麗龍球之間，將齒輪旋轉產生的離心力轉換成發射保麗龍球的動力。若小朋友們對於其他能夠發射物體的發射器感興趣的話，也可以參考浣熊老師的另一篇文章: 生活中的科學EP3-噴錢槍。