生活中的科學EP8-手搖千斤頂
大家好我是浣熊老師，不知道各位是否有去修車廠修車的經驗呢?當汽車或機車需要更換底部零件時，修車師傅會使用一個叫做千斤頂的裝置，將車子抬升起來。
千斤頂是一種能夠抬起重物的裝置，依照原理或結構的不同能夠分成許多種類，如修車廠常見的油壓式，或是能夠收納於車上的螺旋式…等。今天浣熊老師要教大家做的是使用簡單機械(螺旋)原理的手搖千斤頂(又稱為縮放式螺旋千斤頂)，現在就讓浣熊老師一步步教大家如何製作千斤頂吧!
◆組裝步驟
第一步我們要來製作千斤頂的底座，需要使用到20x30大底盤、5x13孔超長方框以及長結合鍵(圖一)，將上述零件依照圖示組裝在20x30大底盤上(圖二)。
第二步要來製作千斤頂的懸臂，主要使用到長結合鍵、5x13孔超長方框、9孔長條以及60T齒輪 (圖三)，將它們依照圖示組裝成部件A，千斤頂有四根懸臂，因此部件A一共需要製作四個(圖四)。
在組裝部件A時，需要確保60T齒輪中間的十字孔與5x13孔超長方框的孔洞對齊(圖五)。
接著我們可以要使用兩根100mm長軸(圖六)將懸臂與底座結合，依照圖示將100mm長軸穿過底座上的5x13孔超長方框以及兩個部件A(圖七)，完成下半部懸臂的安裝。另外兩個部件A會在後續的組裝步驟中使用到，我們可以先把它們放在一旁。
在完成組裝之後，我們需要檢測懸臂的運作是否正常，首先確認兩個懸臂(部件A)的60T齒輪彼此嚙合，接著當我們抬起其中一邊的懸臂時，另一邊的懸臂也要跟著升起，且兩懸臂的高度必須相同(圖八)。
第三步要使用5x5正方框、3孔超長條、軸扣鍵和長結合鍵(圖九)，將零件依照下圖組裝成部件B(圖十)，此部件的功能為固定器，用於固定螺紋桿以及連接懸臂。
第四步使用到5x5正方框、3孔超長條、5孔長條底無孔、5孔長條、長、短結合鍵、以及軸扣鍵(圖十一)，將零件依照下圖組裝成兩個對稱的組件(圖十二、十三)。
接著要使用到的零件是5孔40T齒輪(7408-W10-D1G) (圖十四)，我們要把剛剛左右對稱的組件分別夾在兩個5孔40T齒輪的左右兩側，就像夾心餅一樣，完成部件C的製作(圖十五)，此部件上下的兩個5孔40T齒輪能夠與螺紋桿嚙合，產生水平方向的位移。
第五步要來製作螺紋桿，由部件D和部件E組成，首先使用15孔超長條、3孔長條、3孔圓角長條以及短結合鍵(圖十六)，將它們依照圖示組成部件D(圖十七)，此部件用於補足螺旋部位與固定器(部件B)之間的間距。
再來要使用150mm長軸、渦桿、3孔長條、軸轉接器以及30mm軸扣鍵(7413-W10-U1R)(圖十八)，將渦桿用150mm長軸連接在一起，在對接時需要確保渦桿上的記號都指向同一個方向(圖十九)，這樣渦桿間的螺紋才能完美的銜接，將剩餘零件依照圖示組裝上便完成部件E的製作(圖二十)，此部件能夠與5孔40T齒輪嚙合。
最後要將部件D的3孔長條、3孔圓角長條與部件E的30mm軸扣鍵結合，完成螺紋桿的製作(圖二一)。
第六步要結合部件B、C與下半部懸臂，僅需將懸臂上的長結合鍵與部件B、C 的3孔超長條結合即可(圖二二、二三)。
第七步需要使用70mm長軸以及軸固定鍵(圖二四)，將70mm長軸穿過部件B與部件D的孔洞，並使用軸固定鍵固定，完成螺紋桿的安裝(圖二五)。
第八步要將螺紋桿鎖入部件D，首先將螺紋桿對準上下兩個5孔40T齒輪的位置，接著轉動螺紋桿，讓它慢慢進入5孔40T齒輪之間(圖二六)。
在旋轉時需確認螺紋桿位於由長、短結合鍵組成的軌道之間(圖二七)，當螺紋桿完全通過部件D之後(圖二八)，便可進下一個步驟。
第九步要來製作負重平台，主要使用8x12底盤、5x13孔超長方框以及長結合鍵(圖二九)，將它們依照圖示組成部件F(圖三十)。
接著要將負重平台與懸臂結合，需要使用100mm長軸以及剩餘的兩個部件A(圖三一)，與第二步相同，依照圖示將兩根100mm長軸將穿過負重平台上的5x13孔超長方框以及兩個部件A，完成上半部懸臂的製作，接著同樣確認兩懸臂的60T齒輪彼此嚙合且懸臂高度相同(圖三二)。。
最後一步要結合部件B、C與上半部懸臂，與第六步相同，將懸臂上的長結合鍵與部件B、C 的3孔超長條結合 (圖三三)。
這樣就完成千斤頂的模型啦 (圖三四)，現在就讓我們來測試看看它的功能吧٩(๑>∀<๑)۶(影片一)!
透過比較圖(圖三五)可以發現螺紋桿長度與千斤頂的高度有著密切的關係，當我們逆時針旋轉螺紋桿讓它往右邊方向移動時，可以讓千斤頂上升，反之當我們順時針旋轉螺紋桿讓它往左邊方向移動時，可以讓千斤頂下降。你可以試著將不同的物品放在千斤頂上，測試看看你的千斤頂可以抬起多重的物品吧~
◆結語
在操作千斤頂的模型時，你會發現它的升降空間有限，這其實與螺紋桿的長度有關，當螺紋桿的長度越長，千斤頂的升降範圍就越大。由於智高積木的軸最長只到15公分，所以我們最多只能製作出15公分的渦桿，導致千斤頂的升降範圍受到限制，但此長度已經足夠精確模擬出千斤頂的運作方式，試著思考看看，有沒有方法改造模型，讓蝸桿延伸的更長呢?
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：
千斤頂主要使用到簡單機械的螺旋原理以及蝸桿結構(影片二)。螺旋最早出現於古希臘時期，為六種簡單機械概念的一種，日常生活中常見的螺絲釘、軟木塞開瓶器、寶特瓶蓋等具有螺紋的物品皆應用到了螺旋概念。蝸桿結構則是結合了螺旋以及齒輪，將帶有螺紋的轉軸與齒輪進行結合，其中轉動的轉軸稱為蝸桿，齒輪則稱為蝸輪。在簡單機械的概念中，齒輪減速的越慢，就能產生越強大的力量，而蝸桿結構便是一種極端的齒輪減速系統，因為當蝸桿旋轉一圈時，蝸輪只會前進一格的距離(一齒)!這次的千斤頂正是應用了蝸桿結構的特性，透過螺紋桿(蝸桿)的轉動改變千斤頂的結構，產生不同的高度差，以此來抬升重物。
◆課綱參考：
生 k-V-1 能了解工程與設計的基本知識，如：工程設計流程、動力機構、 結構設計、工程材料、機電控制等。
生 A-IV-2 機構與結構的應用。
設 k-IV-1 能了解日常科技的意涵與設計製作的基本概念。
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：
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