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滾吧!瓶瓶罐罐~裝膠水的罐子會怎麼滾? 次要群組 [物理教學::運動功能] 列印 推薦
作者或來源 zfang 2015-05-19 14:58:35
關鍵字 1黏滯性 2滾動
此文完整連結 http://zfang.zipko.info/1032.html
文章歡迎轉載,請尊重版權註明連結來源。
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物體從斜面上下來,一定是滾動嗎?有沒有可能是滑動或連滾帶翻,甚至根本連動都不動呢?將生活中的瓶罐裡頭加點變化,在斜坡上鬆手釋放讓它們滾動…很多實驗結果可能超出你的預期。

應科學少年邀稿,那一陣子做了做了好多組不同罐子滾動的實驗。無聊時,拿家中的罐頭食品來滾動,玉米粒、鮪魚罐與花生麵筋,誰滾動得快呢?發現,當罐裡的內容物是會流動的,滾動行為就會很特別,甚至還有一些超出我預期的實驗結果。滾動速度會受到內容物的流動性與重量影響,並不是越重越快。

這篇是簡單分享實驗。選擇研究水、冰、膠水與金屬重物(用硬幣固定成硬幣柱),並為了控制實驗,買了二款有蓋小罐子各幾個來操作。

斜坡裝置:架高木板做為斜坡。斜坡材質會影響實驗效果,如果斜面較光滑,坡度就不要太陡。


操作步驟

1. 測試罐子的滾動,滾起來會轉彎代表一邊高一邊低。在較低處用膠帶纏1-2圈,直到滾動方向不偏離。

2. 在另一個圓罐子裡加顆彈珠,鎖上蓋子。將空罐與彈珠罐放在斜坡上方,同時鬆手釋放,誰滾得快?

(相片裡的罐子尚未加蓋)


3. 將5枚、10枚一元硬幣以膠帶固定做成圓柱,分別放入小罐子中。讓它們同時滾下,內容物越重,滾動一定越快嗎?

 

4.再將金屬柱與彈珠一起做比較,先猜猜滾得快?然後再操作。

 

5.在罐子裡裝適量水,蓋緊瓶蓋後冰在冷凍庫製造出半冰罐。比較一下,半冰與半水的罐子,從斜坡上同時釋放,誰滾得快?先猜猜,然後實際操作看看,結果與預測相同嗎?

 

6.改變半冰罐的起始擺放方式,什麼情況下才會滾動?當冰開始熔化一些,半冰罐的滾動情形跟原先有什麼不同? 

 

7. 在罐子裡加入少許膠水或洗碗精,它的滾動情形與裝水罐子有什麼不一樣?重複幾次實驗,改變膠水量或是改變斜面傾斜程度,仔細觀察小罐子裡頭液體的變化。

 

原理與結果

實驗有不少結果出乎我的預料,例如加了十枚硬幣的罐子雖然重,但滾動速度反而比空罐慢;裝半滿膠水的罐子,雖然不像裝水的罐子流動性高轉得很快,卻出現先停頓再加速的現象。換言之,內容物越重,滾動就越快嗎?這可未必。

當罐子內裡滾動不同步時,要考慮物體與罐壁的摩擦及重心位置變化。有時,內容物越重反而對罐子滾動造成阻礙。前面步驟的滾動速度是空罐>彈珠罐>五枚硬幣柱罐>十枚硬幣柱罐。十枚硬幣柱重量雖大,但它與罐壁摩擦力也大,使圓罐滾得慢。

液體流動性也會影響滾動速度。剛由冷凍庫取出的半冰罐,冰塊與罐身完全凍結,放手之後半冰罐會自動煞車。直到外緣稍熔化,水的流動性使冰塊滑動自動調整水平,滾動速度就能變快了。

  • 固定的半冰變成斜坡上的不倒翁(左),動一下會自動剎車。
  • 當外緣的冰熔化後,冰塊會自動調整水平(右),在斜坡上產生一個幫助滾動的力矩。

膠水黏滯性較水高,就算外罐已翻轉,裡頭液體仍緩緩流動。初期滾動速度很慢,直到開始轉動後膠水被甩到外圍,膠水罐就會像小輪胎似的越滾越順暢!

膠水黏滯性大,流動緩慢,最初移動停滯。但開始滾動後,膠水被甩到圓罐內緣像輪胎一樣,就會在斜坡上加速滾動。

將膠水與硬幣柱同時放到罐子裡,意外衍生了滾得超慢的烏龜罐,實驗請見:跟重力作怪的烏龜罐與蝸牛球!
 

 

後記

最早我是用梅子罐來做冰與水的實驗,滾動得很快,效果也不錯,但罐子真的太大了,若是用膠水,得耗掉不少材料。

後來在五金行找到裝化妝品乳液的小圓罐,大小適中且方便觀察。只是,圓罐一邊稍高,需要加膠帶去修正。若是要做為科展,則還有許多條件需要控制…,黏滯性也能討論,並且影響滾動、摩擦的因素還有很多,也不是所寫的這樣簡單。材料都能替換,液體的種類與用量也是。結果可能會和我不一樣。所有實驗都請先預測,再操作觀察。這篇只是點到為止,有興趣的人可以做下去。
 

(謝謝axer幫忙拍攝相片。)

END
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