科學遊戲--爆走毛刷

文與圖/許良榮 |2013.11.27
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 圖一圖/許良榮
 圖二圖/許良榮
 圖三圖/許良榮
 圖四圖/許良榮

市面上販賣的爆走毛刷科學玩具,可以單次控制行走方向,加上眼睛的造型,可愛又有趣,但是售價並不便宜。許叔叔教大家來DIY這種會運動的毛刷,看看沒有輪子的毛刷如何爆走?過程很簡單喔,快來動動手!



所需器材:



小馬達、電池、刷子、雙面膠或橡皮筋、廢棄原子筆。



操作過程:



一、將廢棄原子筆的筆芯取出,剪下約三公分長,彎曲之後,套進小馬達前端的旋轉軸上(如圖一的紅圈處)。



二、將小馬達接上電池組,再以雙面膠分別將電池組以及小馬達黏貼在毛刷上面。為了避免鬆動,可以再用橡皮筋纏繞固定,完成爆走毛刷。



三、打開電池組的開關,馬達開始轉動之後,爆走毛刷會產生振動,如果把它放在地板上,爆走毛刷就會開始運動,但它只是原地打轉,不會前進(如圖二)!



四、如何讓爆走毛刷能夠前進,而不是原地打轉呢?方法是:調整刷毛的方向!將毛刷的刷毛以同一方向壓緊,當刷毛保持如圖三的傾斜時,就會往前(往右)前進,而不是原地打轉了!



原理:



爆走毛刷的刷毛直立時,其振動方向為上下振動,假設每一根刷毛都是上下垂直地面沒有傾斜,則理論上,毛刷只會在原地上下跳動。但實際上,由於每根刷毛並非都是上下垂直,有部分刷毛是傾斜的,因此會形成傾斜於地面的分力(刷毛作用於地面的彈力),而每根刷毛的分力的總合很難剛好達成平衡,必然有某一方向的分力較大,所以毛刷才會原地旋轉。至於哪一個方向的分力較大,並不容易預測,因為刷毛太多,無法一一確認,如同影響氣候的變因很多,超級電腦也很難準確、精確的預測。所以,爆走毛刷有時逆時針旋轉,有時又會順時針轉。



而當毛刷的刷毛傾斜方向一致時,則大多數刷毛作用於地面的分力也會一致,因此就會讓毛刷往前運動。原因如圖四,刷毛對於地面的作用力為F,此作用力可分解為往上的分力,以及往右的分力。使毛刷往上彈跳,而就是使毛刷往右(往前)的力了。



小叮嚀:



一、由於刷毛具有彈性,因此要將刷毛傾斜成同一方向,必須壓緊約二十分鐘以上,才能使刷毛保持傾斜。而且為了盡量讓每根刷毛都接觸到地面,要以剪刀修剪平整,避免因為傾斜而使部分刷毛沒有接觸地面。



二、除了使用大毛刷,也可以使用牙刷來製作,不過,已用過一段時間的牙刷,由於刷毛曲折或過於零亂,不容易將刷毛傾斜為同一方向,建議使用新的。



三、可以試試變換馬達的位置,例如朝正後方、朝右邊或左邊,再觀察爆走毛刷的運動情形有什麼差別。

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