製作了一組『雲霄飛球』模型,小鋼珠在軌道上滑行、滾動就像「G5」雲霄飛車一樣感覺非常的刺激,只是小鋼珠在彎曲軌道時很容易就飛離出去,反反覆覆嘗試了許多次都無法解決,到底是速度太快?還是離心力太大?

 

X博士摘要說明】

  1. 使用哪一種珠子來實驗比較好呢?
  2. 珠子在直線軌道前進時,不同的俯角會讓彈珠產生哪些變化?
  3. 珠子在垂直圓形軌道旋轉時,會真的轉上一圈嗎?

 

第 52 屆 國小生活與應用科學科作品

題目:「珠」撿不斷「軌」還來亂,『雲霄飛車』的探討

作者:高雄市三民區民族國民小學的同學們

 

【摘要(原文)

從動手做「Q 版」雲霄飛車時就一直無法順利的讓彈珠滑完全程,調來調去都是脫軌而出。最後才發現「速度」、「向心力」與「重心」才是主要的原因。而軌道材質、俯角大小、距離長短、加速度大小、軌道的寬窄等等也是影響成功的變因。當鋼珠來到彎曲軌道時必須克服「向心力」與「重心」的問題,才能順利滾完彎道,直徑越大越好、內凹角度約 30 度時成功機率較大。然而「安全距離很短」的原因是速度太快,來不及轉彎就飛出去;所以我們利用磁鐵的磁力來改變鋼珠直線滾動的慣性方向及下滑的速度,增加向心力、降低脫軌的機率達成滑完全程的心願。雖然我們不敢乘坐「雲霄飛車」,但在實驗裡仍然是把垂直降落、快速旋轉、懸空翻轉等等實驗都玩遍了。

 

X博士步驟說明】

  • 使用哪一種珠子來實驗比較好呢?

我們找了相同直徑(1.5 ㎝)、但是材質不同的珠子,鋼珠、彈珠、塑膠珠、保麗龍珠來做測試,並以矽利康風管來做軌道,觀察珠子滑落的時間。

投影片2

1.鋼珠最重,滑落的時間最短;保麗龍珠最輕,滑落的時間反而是最長。

2.彈珠的數量最多、價錢最便宜、滾動較穩定,選擇彈珠來當我們的主角。

 

  • 彈珠在直線軌道前進時,不同的俯角會讓彈珠產生哪些變化?

1.利用直角三角形的原理來製作出斜面為 100 ㎝長的木板及高度為 10 度、20 度、70 度、80 度的木梯,當需要調整角度時只要將斜面木板跨到木梯上就是正確的直角三角形。

2.以兩位同學同時使用兩個碼表來記錄彈珠掉落的時間。

3.在斜面末端下方 10 ㎝處放置一個沙坑,以觀察彈珠掉落的距離。

投影片3

1.俯角較小時,彈珠滾落的時間較長,落在沙坑的位置較遠、凹痕較淺、彈起的高度較低、滾出沙坑後的距離較遠。

2.俯角較大時,彈珠滾落的時間較短,落在沙坑的位置較近、凹痕較深、彈起的高度較高。

3.俯角(30 度以下)時彈珠滾落的時間約 1.7~1.0 秒,速度約 57~93 ㎝/sec,

俯角(60 度以上)時彈珠滾落的時間約 0.8~0.5 秒,速度約 130~170 ㎝/sec。

 

  • 滾珠在垂直圓形軌道旋轉時,會真的轉上一圈嗎?

1.在圓形的寶特瓶、塑膠瓶上切割出 2 ㎝寬的細長條。

2.將細長條以泡棉膠黏上矽利康風管,當成軌道。

3.以寶特瓶的底部來當中心圓,並在圓外以熱熔膠黏上八根木條。

4.將細長條軌道黏貼在八根木條的內部,以方便觀察滾珠轉動的情形。

投影片4

1.直線軌道銜接垂直圓形軌道的地方,滾珠最易飛離所以必須強化支撐。

2.滾珠在俯角較大、且直徑較小的垂直圓形軌道內,可滾動約 2 圈之多。

3.滾珠在俯角較小或是直徑較大的垂直圓形軌道內,只能繞 0.5 圈。

 

數據分析與結論

排「雲霄飛車」的人潮都是滿滿的,載客量一次只能載十幾人,從實驗中發現載客量(鋼珠)越重時滑落的時間更短、轉彎時離心力更大更容易飛離軌道,安全性變低。「雲霄飛車」吸引人的地方是由最高點往下俯衝、轉彎、懸空翻轉等;經我們實驗後發現俯角在 30~60 度時是最安全的軌道設計,而超過 60 度時成功機率會降低;但是追求刺激就必須增加風險,所以雲霄飛車的特殊輪子都卡緊在軌道內,這也是我們目前無法做到的地方。

 

以下是評審給的評語

投影片5

 

X博士評語】

「雲霄飛車」非常刺激,感覺那些彎曲的軌道好像可以隨意變化。但動手實驗後才知 道困難度非常的高。尤其是車子(滾珠)的速度一直不停增快,如何在轉彎處讓向心力、重心偏移的彈珠穩穩的在軌道上跑完全程真是不容易。