科學遊戲-- 懸崖勒馬

文與圖/許良榮 |2012.07.25
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會自動剎車的紙馬?沒玩過吧?材料很簡單,大家一起來玩玩看,並探索其中物理的原理!

所需材料:紙盒、曬衣夾、棉線、紙杯、螺帽或鐵釘。

操作步驟:

1取一紙盒如面紙盒,拿掉底部,成為中空的紙盒,當作馬的身體,再取四個曬衣夾夾在紙盒的底部,當成馬的四隻腳。

2在紙盒上方鑽一個小洞,穿過棉線,並綁上一小段吸管(避免棉線由紙盒脫落)。棉線另一端綁在紙杯上,紙杯可用來裝入螺帽或鐵釘等重物。注意!棉線的長度必須小於桌子的高度。

3製作完成後,置於桌面上,紙杯下垂於桌緣。桌面必須略為凸出,以避免下垂的紙杯與垂直的桌緣摩擦或接觸。

4抓住紙馬,在紙杯中一個一個的放入螺帽或鐵釘,使紙馬在鬆手後可以因為紙杯往下拉的重量而開始往前運動。注意!放入紙杯的螺帽或鐵釘不能太多太重,否則紙馬會持續往前衝出桌子,而掉落地面。

5調整完成之後,就可以開始玩遊戲了。將紙馬裝置放在桌面(如圖一),然後放手讓紙馬往前衝。神奇的事情就要發生了!一直跑到桌緣的紙馬,眼看著就快掉下去,但居然會自動剎車!(如圖二)

原理:

紙馬會懸崖勒馬的原因,主要包括二個因素:一、紙馬的腳(曬衣夾)與桌面產生摩擦力;二、紙馬衝向桌緣的過程中,往前的力逐漸變小。

曬衣夾與桌面摩擦,提供了阻力,會讓紙馬往前的速度變小。但是,雖然速度變小不一定保證紙馬可以停下來,不過,紙馬愈靠近桌緣,往前的力就愈小,而且摩擦力也會愈大,這是為什麼呢?

我們來看看圖三。紙馬受到紙杯與重物的拉力 (紅色線)拉動,此 力可分解為往前的拉力f1(綠色線)以及往下的的(粉色線)。在紙馬往桌緣運動的過程中,由於紙杯與重物的重量不變,因此拉力力 不變,但是角度會逐漸往下,一剛始時,往前的 最大,往下的f2最小;隨著紙馬往桌緣靠近,往前的f1變小,往下的f2變大。

換言之,紙馬受到往前牽引的力f1愈來愈小,而往下的力f2愈來愈大(往下的力愈大,亦即正壓力愈大,與桌面的摩擦力Ff也就愈大),紙馬自然就會停下來囉!



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