文／簡麗賢

曾風靡全球的玩具指尖陀螺，台大陳建甫教授的研究團隊運用其快速轉動的概念，成功分離血清，登上國際期刊，這是一則2019年4月初的科學新聞，可不是開玩笑的假新聞。

日前我帶著學生來到台灣大學應用力學研究所，向陳建甫教授請教流體力學，並聊及相關的新聞報導，深刻體會從生活情境尋找科學研究的趣味性和可行性。

陳建甫老師的研究團隊不用昂貴儀器卻能分離血清，以指尖陀螺的醫療應用價值造福偏遠地區及開發中國家，成為新型醫療資源。

離心效應 取得血清



一般醫學檢驗單位透過專用離心機，將血液分成「血清」和「血球」。指尖陀螺每分鐘1200轉的轉速，只需1滴血的血量，透過「圓周運動」向心加速度伴隨產生的「離心效應」，就可以把血液分離出血清，協助後續診斷疾病。

相較於傳統的離心機儀器，指尖陀螺不昂貴，體積更輕巧，因此這項研究可幫助醫療資源匱乏的地區，協助抗體檢測，確認是否感染疾病，包括腸病毒、登革熱、德國麻疹等，可說是扮演「小玩具，立大功」的角色。

針對軸承 產生力矩



那麼，指尖陀螺轉動的科學原理是什麼？指尖陀螺的材質可能是鋁合金、黃銅、不鏽鋼或塑膠等，外型扁平，最常看到呈現三角形狀，3個頂點是較重的物質；中間轉動的核心是「軸承」，大抵是不鏽鋼、陶瓷或複合材料構成。

核心軸承是由內外環構成，其間置入可滾動的鋼珠，減少摩擦力，能快速轉動。因此製作指尖陀螺的功夫深淺就在軸承效果的良窳；陀螺是否轉得順暢，重點在軸承的品質。

怎麼玩指尖陀螺呢？手指一撥給指尖上的陀螺作用力，對中心的軸承產生「力矩」，就能使陀螺轉動。力矩決定物體能否轉動，對軸承沒有力矩就無法轉動。力矩包含作用力和作用力到軸承的「垂直距離」（力臂）兩個因素，作用力和力臂相乘為力矩。力矩愈大，陀螺愈容易轉動，像開門一樣。

好，我們現在順利轉動陀螺了，但要怎樣讓陀螺轉得快或轉得久呢？這就涉及到物理轉動力學的「角動量」和「轉動慣量」。

轉動原理 類似溜冰



本版在2022年2月7日刊登〈走鋼索與花式溜冰〉，提及冬季奧運花式溜冰選手舉手投足的物理概念，此科學原理與指尖陀螺幾乎相同，異曲同工。當溜冰選手把雙手縮回胸前時，轉動變快；展開雙手時，轉速變慢。這個概念稱為「角動量守恆」，也就是在轉動期間，若沒有外來的力矩介入，角動量就不會改變，好比騎腳踏車，一直穩定騎，輪胎轉動時能維持一定的方向和轉速。

當指尖陀螺三角物質分成一點一點，每一點材質對中心軸承距離不相同，把這些點的質量和轉動半徑平方相乘，再累積相加，就是「轉動慣量」，這與轉動物體的「質量」和轉動「半徑」有關。

根據科學原理，要讓指尖陀螺轉得快，軸承的設計很重要，要減少摩擦力，可盡量縮短三邊長度或減輕三角頂點材質的質量。如果想要轉得久，就可選擇較重的三角頂點材質，也許可以考慮黃銅材質喔！當然啦！要轉得快轉得久，撥的力道大一點，對軸承產生的力矩就比較大，自然轉得快又久。



陀螺 從古老到創新

談到「陀螺」，可能喚起許多人的記憶，台灣閩南語稱陀螺為「干樂」，這可是民俗童玩和高超技藝，隱含真摯的鄉土情懷啊！依據史籍紀載，明朝的《帝京景物略》一書中，提及當時民間生活的一首童謠，其中一句：「楊柳兒活，抽陀螺。」也許可說明陀螺是民間兒童的流行玩具。而今隨著時間演變，歲月遞嬗，陀螺從「古早味」到「創新味」，從「傳統陀螺」、「倒立螺陀」、「戰鬥陀螺」到近4年前的「指尖陀螺」，玩出嶄新的樣貌。

俗話說：「外行看熱鬧，內行看門道」，儘管「指尖陀螺」曾是媒體爭相報導的寵兒，仍值得我們探索指尖陀螺轉動的科學概念。