生活中的科學EP14-飛擺鐘

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)。

(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)。

(圖一)
(圖二)

接著依照圖示將部件A安裝在20×30大底盤上方(圖三)。

(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)。

(圖四)
(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)。

(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部件B20T齒輪互相嚙合(圖九)。

(圖七)
(圖八)
(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)。

(圖十)
(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滑輪溝槽(圖十三)。

(圖十二)
(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Ⅱ3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)。

(圖十四)
(圖十五)

接著依照圖示將部件D軸轉接器插入部件B150mmⅠ軸,完成支架的安裝(圖十六)。

(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棉繩(圖十七),依照圖示使用20mm軸扣鍵棉繩固定在圓形磁鐵上(圖十八)。

(圖十七)
(圖十八)

接著依照圖示使用另一個20mm軸扣鍵棉繩固定在部件D上,完成擺錘的安裝(圖十九)。

(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)。

(圖二十)
(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。

(圖二二)

第七步我們要來製做飛擺鐘的指針,需要使用到孔超長條Ⅱ60T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)。

(圖二三)
(圖二四)

接著依照圖示將部件F安裝在部件A9孔長條上方(圖二五),完成指針的安裝,並確保部件F60T齒輪部件A20T齒輪互相嚙合(圖二六)。

(圖二五)
(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)。

(圖二七)
(圖二八)

接著依照圖示使用20mm軸扣鍵棉繩固定在部件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)!

(圖二九)
(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滑輪溝槽,接著將支架150mmⅠ軸上方拆除,並以逆時針的方向旋轉150mmⅠ軸,透過捲線器棉繩全部捲起後,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)。

(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?

(影片三)
(影片四)

◆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?

(圖三一)

◆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。

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◆參考資料:

時鐘 - 維基百科,自由的百科全書
擺鐘 - 維基百科,自由的百科全書
收藏達文西《達文西機械飛擺鐘》 – 泛科市集

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