環與棒的共舞 @ 《生活-360》 (◕‿◕)

本網站設立宗旨是為了幫助更多孩子學習，也謝謝科學遊戲實驗室提供這麼優質的學習管道，在此再一次感謝所有幕後辛苦的工作人員，感恩您們為教育的付出！

環與棒的共舞

　　　　　　　　　　　　　　小環轉不停，與棒共舞！

※器材：環形磁鐵、鐵絲、紙片、串珠、塑膠管、膠帶

※操作步驟與現象：

１.取一直徑約1.5mm（毫米）的鐵絲約25公分或30公分長，儘量拉成直線狀。在鐵絲尾端套入一粒串珠並固定（用強力膠或膠帶固定皆可），如圖一所示。

2.剪一細長紙片（建議約3～4公分），紙片中央挖一小洞，大小以讓紙片可以自由轉動即可，以便當為螺旋槳。

3.套好串珠與紙片後，取一環形磁鐵（中央孔洞的直徑約0.8公分），由鐵絲上方放進去。磁鐵會吸引在鐵絲上，輕輕撥動一下磁鐵，磁鐵就會掉下來，而且開始旋轉喔！

4.注意觀察：磁鐵掉落過程會一直旋轉，而且旋轉得很快！同時帶動鐵絲振動，讓紙片如同螺旋槳一般快速的旋轉起來。（如圖二）

5.鐵絲上可以同時掛二個磁鐵，觀察掉落過程有何差異？如果二個磁鐵同極相向（互相排斥）或是異極相吸，旋轉晴形有何差別呢？

實驗結果請觀看實驗影片（3.1M）

　　另一種玩法如圖三：將鐵絲彎曲成圓形，用一小片膠帶黏住接合處（膠帶越薄越好），讓磁鐵一邊掉落一邊慢慢轉動圓形鐵絲，磁鐵會轉個不停，不會停下來喔！此外，試著將鐵絲環掛上二個、三個或更多環形磁鐵，試試看同時可以讓幾個磁鐵一起旋轉個不停？

實驗結果請觀看實驗影片（0.6M）

※原理：

　　本操作的原理和「陀螺環（霹靂環，Gryo-ring）」相同，因此先介紹陀螺環的特色與原理（如右圖）。

　　陀螺環又稱為Chatter-ring、Sling-ring 或是Jitter-ring（日本多用此稱）。操作時必須先拍打大鐵圈上的五個小鐵環（皆無磁性），小鐵環轉動後，慢慢旋轉大鐵圈，避免小鐵環跑到最低點，五個小鐵環就可以一直快速旋轉，而且發出相當吵雜的聲響。

　　陀螺環已經被發展為相當多樣性的特技表演（如同扯鈴有很多變化的玩法），網路上可以搜尋到很多相關影片（如參考資料1、2）。

　　陀螺環的原理頗為複雜，牽涉摩擦力、力矩、轉動力學、能量守恆…等等概念，在國內外都可發現相關的學術研究文獻，以及當為科學展覽的研究。基本上，陀螺環的「轉動子（小鐵環）」轉動現象以及簡易的解釋如下。

　　轉動子在掉落過程的運動轉，包括「自旋（spin）」與「進動（precession）」。自旋是轉動子以質心為自轉軸（旋轉中心）的轉動（如圖四的藍色線）。進動則是自轉物體的自轉軸又繞著另一軸旋轉的現象（如圖四紅色線軌跡）。亦即圖四中藍色的自轉軸並非保持固定不動，而是依紅色線的軌跡轉動。

　　因此上述操作的環形磁鐵、陀螺環的小鐵環，在掉落過程的旋轉如圖五所示。除了轉動子本身的自旋之外（圖五的藍色箭頭），還包括了由圖右到圖左的變化，亦即轉動子的平面會變化，由左傾／到右傾＼（反之亦然），且快速重覆的變化。

　　會產生不斷自旋與進動的原因如圖五；轉動子與直立柱子（大鐵環）有接觸點，有接觸點就有摩擦力Fr，此摩擦力小於重量mg，產生不平衡的力矩，因此造成了轉動子的自旋與進動。從能量守恆的觀點而言，轉動子由高處到低處掉落，其重力位能（Gravitational potential energy）轉換為轉動子的轉動能量。（其他相關原理解釋，請見參考資料3～6）

實驗結果請觀看實驗影片（132K）--來源：參考資料7

　　陀螺環的大鐵圈與小鐵環沒有磁性，而本操作使用鐵絲與具有磁性的環形磁鐵，差別只在於磁鐵與鐵絲有吸引力，提供的摩擦力Fr更大（以相同質量而言），因此在一開始啟動旋轉時比陀螺環更為容易，不必用力拍打環形磁鐵。

※延伸的科學遊戲：

　　另一種類似的科學玩具是「把戲棍（Fiddlestick）」，其構造是將陀螺環的環形大鐵圈，改變為直立狀，小環由上面旋轉掉到底部，就要拿起來重新玩。市面上雖然有在販售此玩具，但是可以自行嘗試製作。依據文獻（參考資料8），中央直立管子的直徑，為小環的洞的直徑1.4倍～2.3倍（比率越大，掉落越快）。

　　經過實際試驗（如圖六），直立的管子使用外徑直徑為2公分的塑膠管，小環分別使如圖七中三種不同孔洞大小的膠帶（由左至右直徑分別為2.6、7.6、3.2公分）。實驗結果，白色的膠帶旋轉後直接掉落；中間的第二種大孔洞膠帶，則旋轉很短的距離後直接掉落。而孔洞的直徑為3.2公分的黑色膠帶（與管子直徑比為1.6），旋轉之後，膠帶不會直接掉落，而是一邊快速旋轉、一邊緩慢掉落。