生活中的科學EP14-飛擺鐘
大家好我是浣熊老師，大家還記得在生活中的科學EP2中，我們使用了擒縱系統做出一個重力擺鐘嗎？看著指針滴答滴答的移動真的很療癒呢，今天浣熊老師要再帶大家製作一款同樣以重力為動力的時鐘，名為飛擺鐘。飛擺鐘最早出現於達文西（Leonardo da Vinci）的手稿當中，透過重物拉動掛著金屬球的繩子，讓它纏繞在柱子上產生規律性，以此來進行計時，現今也有許多人參考他的設計圖復刻出了各式各樣的飛擺鐘(影片一)。
現在就讓浣熊老師一步步教大家如何用積木製作出一個飛擺鐘吧！
◆ 組裝步驟
第一步我們要來做飛擺鐘的底座，需要使用到20×30大底盤、9孔長條、自轉軸鍵、20T齒輪以及長結合鍵(圖一)，依照圖示將20×30大底盤以外的零件組裝成部件A(圖二)。
接著依照圖示將部件A安裝在20×30大底盤上方(圖三)。
第二步我們要來製做飛擺鐘的轉軸，需要使用到150mmⅠ軸、3孔超長條、20T齒輪、捲線器以及棉繩(圖四)，首先將棉繩的一端綁在捲線器上，接著依照圖示將零件安裝在150mmⅠ軸上，在組裝時需要留意各零件的順序(圖五)。
接著需要使用5×5孔正方框以及長結合鍵，依照圖示將兩個長結合鍵安裝在5×5孔正方框上方(圖六)。
最後依照圖示將先前組裝好的組件結合，完成部件B的製作(圖七)，並將部件B安裝在20×30大底盤上方(圖八)，在完成轉軸的固定後需確保部件A與部件B的20T齒輪互相嚙合(圖九)。
第三步我們要來製做一個簡單的定滑輪機構，它能夠改變重物的施力方向，讓重物向下掉落的同時也能夠以最小的摩擦力拉動轉軸，需要使用到5孔長條、3孔超長條、70mmⅡ軸、OD23mm滑輪、軸固定鍵以及長結合鍵(圖十)，依照圖示將它們組裝成部件C(圖十一)。
接著依照圖示將部件C安裝在20×30大底盤上方(圖十二)，並確保棉繩能夠準確進入OD23mm滑輪的溝槽(圖十三)。
第四步我們要來製做飛擺鐘的支架，用於懸掛擺錘，需要使用到5孔超長條Ⅱ、3孔超長條以及軸轉接器(圖十四)，依照圖示將它們組裝成部件D(圖十五)。
接著依照圖示將部件D的軸轉接器插入部件B的150mmⅠ軸，完成支架的安裝(圖十六)。
第五步我們要來製做飛擺鐘的擺錘，這裡使用到的是圓形磁鐵(7065-W85-A)，若是身邊沒有圓形磁鐵，也可以使用鐵製墊片或是彈珠替代，此外還需要20mm軸扣鍵以及一條長度約10~12cm的棉繩(圖十七)，依照圖示使用20mm軸扣鍵將棉繩固定在圓形磁鐵上(圖十八)。
接著依照圖示使用另一個20mm軸扣鍵將棉繩固定在部件D上，完成擺錘的安裝(圖十九)。
第六步我們要來製做飛擺鐘外側的四根柱子，需要使用到150mmⅠ軸、5孔長條、軸轉接器以及長結合鍵(圖二十)，依照圖示將它們組裝成四個部件E(圖二一)。
接著依照圖示將四個部件E安裝在20×30大底盤上方(圖二二)，完成柱子的安裝。
第七步我們要來製做飛擺鐘的指針，需要使用到孔超長條Ⅱ、60T齒輪、30mmⅡ軸、以及軸轉接器(圖二三)，依照圖示將它們組裝成部件F(圖二四)。
接著依照圖示將部件F安裝在部件A的9孔長條上方(圖二五)，完成指針的安裝，並確保部件F的60T齒輪與部件A的20T齒輪互相嚙合(圖二六)。
第八步我們要來製做飛擺鐘的重物，需要使用到70×12mm橡膠輪以及20mm軸扣鍵(圖二七)，依照圖示將它們組裝成部件G，並保留一個20mm軸扣鍵(圖二八)。
接著依照圖示使用20mm軸扣鍵將棉繩固定在部件G上，完成重物的安裝(圖二九)，如此一來就完成飛擺鐘的製作囉(圖三十)！
◆ 模型操作
還記得我們之前在操作重力擺鐘前，需要先進行「上發條」的動作嗎？
沒錯！飛擺鐘也是需要先透過捲起重物的方式來上發條，才能進行運作哦。首先將模型放置於桌子邊緣，並把重物垂掛在下方，確保棉繩準確進入OD23mm滑輪的溝槽，接著將支架從150mmⅠ軸上方拆除，並以逆時針的方向旋轉150mmⅠ軸，透過捲線器將棉繩全部捲起後，便可以重新將支架安裝回去，這樣我們就完成上發條的動作了(影片二)。
在我們上完發條之後，便能夠欣賞飛擺鐘的運作方式囉，當模型運作順利時，可以發現擺錘依序纏繞在四個柱子上，產生規律性的運動(影片三)，如同擒縱裝置的效果一般，而我們可以透過齒輪將這種規律性的運動傳遞到指針上，當我們觀察指針時，會發現它就像是時鐘的秒針一樣，以一定的頻率進行轉動(影片四)，試著計算看看，當指針走完一圈時，一共轉動了幾次呢？又過了多久時間呢？
◆結語
透過這次所製作的飛擺鐘模型，我們可以瞭解到就算是同一種發明，背後也有可能蘊藏著各種不同的機構或原理，以這次所做的時鐘為例：時鐘可以依照不同的計時原理或結構可分為許多種類，如水鐘、沙漏、擺鐘、電子鐘、原子鐘、電波鐘..等，每一種時鐘都有各自的優缺點，你可以依照需求選擇最適合的時鐘，而隨著科技的演進，時鐘甚至能夠縮小成戴在手上的手錶，你覺得未來還有可能出現什麼種類的時鐘呢？
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：
飛擺鐘模型使用到了重力、定滑輪和慣性的科學原理，當我們釋放重物時，會使它受到重力的作用，產生一股向下的力；透過定滑輪改變施力方向的特性，將向下的重力轉換成水平方向的力(圖三一)，以此來帶動轉軸、支架以及擺錘進行轉動；當棉繩撞擊到柱子時，會因為擺錘的慣性使得棉繩纏繞在柱子上，導致轉軸依照固定的頻率或時間差進行轉動。
試著實驗看看，當我們把四個柱子都移除時，轉軸還能夠進行規律性的轉動嗎？
又或是試著調整擺錘上的棉繩長度、擺錘的重量、重物的重量等變因，觀察它們和轉軸轉動的頻率是否有影響呢？
◆課綱參考：
生 s-IV-2 能運用基本工具進行精確的材料處理與組裝。
Eb-Ⅳ-13 物體的質量決定其慣性大小。
Eb-Ⅳ-1 力能引發物體的移動或轉動。
Eb-Ⅳ-8 簡單機械，例如：槓桿、滑輪、輪軸、齒輪、斜面 等，通常具有省時、省力，或者是改變作用力方向等功能。
◆參考資料：
維基媒體專案貢獻者
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