0260201簡單機械

03動力的傳送

 

3-1齒輪

 齒輪是一種邊緣具有許多相同齒狀凸出物的圓輪。兩個齒輪可以利用邊緣的齒互相咬合,當一個齒輪轉動時,也會帶動另一個齒輪跟著轉動,稱為齒輪組。

  找一找生活中具有齒輪或齒輪組的物品。觀察這些物品裡面的齒輪組合方式。

 

物品裡有幾個齒輪?齒輪的大小都相同嗎?

修正帶、機械式鐘錶、四驅車和齒輪玩具等,都具有齒輪組。它們大多利用兩個或兩個以上的齒輪來傳送動力,而且齒輪的大小不同。

 

這些具有齒輪或齒輪組的物品中,齒輪是如何轉動的?

齒輪通常都是互相咬合,當一個齒輪轉動時,也會帶動另一個齒輪轉動。

 

▲修正帶是利用兩個互相咬合的齒輪來傳送修正帶。

▲機械式的鐘錶是利用齒輪組,帶動秒針、分針和時針轉動。

 

  把兩個大小不同的齒輪組合起來,操作看看,齒輪如何轉動?

以逆時針方向轉動小齒輪,會帶動大齒輪往順時針方向轉動。

▲轉動其中一個齒輪,觀察另一個齒輪轉動的情形。

 

1.數數看,大小齒輪的齒數各是多少?

2.分別以順時針和逆時針方向轉動大齒輪一圈,觀察小齒輪轉動的方向和圈數。

3.分別以順時針和逆時針方向轉動小齒輪一圈,觀察大齒輪轉動的方向和圈數。

以下圖為例,大齒輪有30齒;小齒輪有20齒。

 

▲以順時針方向轉動大齒輪

▲以順時針方向轉動小齒輪

 

1.兩個互相咬合的齒輪,轉動的方向一樣嗎?

兩個齒輪互相咬合時,轉動其中一個齒輪,另一個齒輪會朝相反的方向轉動。

 

2.當大齒輪轉動1圈時,會帶動小齒輪轉幾圈?

大齒輪轉1圈時,會帶動小齒輪轉動多於1圈。

 

3.當小齒輪轉動1圈時,會帶動大齒輪轉幾圈?

小齒輪轉1圈時,會帶動大齒輪轉動少於1圈。

  生活中,有些物品具有齒輪或齒輪組的構造,幫助傳送動力、改變轉動的速度或方向。

 

 

3-2腳踏車上的傳動裝置

  觀察腳踏車齒輪的組合方式,和前面見過的齒輪組合有什麼不同?鏈條在這裡具備什麼功能呢?

(1)腳踏車的前、後齒輪沒有咬合在一起,而是以鏈條連接。

(2)鏈條可以將前、後兩個齒輪連接起來。

 

討論

1.轉動腳踏車踏板時,哪些部位會被帶動?

前齒輪、鏈條、後齒輪和前輪。

2.轉動腳踏車踏板所產生的動力如何傳送到腳踏車的後輪,使車子前進?

轉動腳踏車踏板所產生的動力,會帶動前齒輪轉動,前齒輪再透過鏈條帶動後齒輪轉動,使動力傳送到後輪,進而推動前輪,使車子前進。

 

  腳踏車上的踏板與前齒輪固定在同一個軸心,後齒輪與後輪也固定在同一個軸心,前、後齒輪以鏈條連接。轉動踏板時,前齒輪、鏈條、後齒輪和後輪也會跟著轉動。

  試一試,模仿腳踏車齒輪的組合方式,用鏈條組合兩個大、小不同的齒輪,看看鏈條如何傳送動力?

 

1.數數看,大、小齒輪的齒數各是多少?

2.分別以順時針和逆時針方向轉動大齒輪一圈,觀察小齒輪轉動的方向和圈數。

 

討論

1.大、小兩個齒輪轉動的方向相同嗎?

用鏈條連接時,大、小齒輪轉動方向相同。

 

2.當大齒輪轉動一圈時,小齒輪會轉動幾圈?

大齒輪轉1圈時,小齒輪轉動多於1圈;

小齒輪轉1圈時,大齒輪轉動不到1圈。

 

  腳踏車上的前、後齒輪以鏈條相連,踩動踏板時,前齒輪透過鏈條帶動後齒輪轉動,使踩踏板所產生的動力傳到後輪,進而推動前輪轉動前進。

 

 前齒輪轉動一圈,後齒輪會轉動好幾圈,使後輪同步轉動。因此腳踩踏板一圈,後輪會轉好幾圈,可以使腳踏車移動較長的距離。

 

 

3-3流體傳送動力

  齒輪和鏈條可以傳送動力。除了使用機械傳送動力外,水和空氣也可以用來傳送動力。

 

 

◎空氣傳送動力

1.準備甲、乙兩支空注射筒,將甲注射筒接上一段塑膠管,並將活塞往外拉,使筒內充滿空氣,再連接乙注射筒。

2.壓下充滿空氣的甲注射筒活塞,觀察乙注射筒活塞的變化。

如果再將甲注射筒活塞往外拉,乙注射筒的活塞會有什麼變化?

乙注射筒的活塞會往內,朝注射口的方向移動。

 

 

◎水傳送動力

1.將接上塑膠管的甲注射筒吸入25毫公升(簡稱毫升)顏色水後,再連接空的乙注射筒。

2.壓下裝水的甲注射筒活塞,觀察空的乙注射筒活塞的變化。

 

 

討論

1.施力於充滿空氣或水的甲注射筒活塞,乙注射筒的活塞會發生什麼變化?

乙注射筒的活塞會往外移動。

2.施加於甲注射筒活塞上的力是怎樣傳送到乙注射筒的活塞,而使其移動呢?

施加於甲注射筒活塞上的力是透過空氣或水,將力傳送到乙注射筒的活塞,而使其移動的,也就是利用流體傳送動力。

 

  生活中有很多機器是利用空氣或水等流體來傳送動力。例如打氣筒、水車等。

  生活中常見的挖土機、千斤頂、油壓拖板車、汽車的煞車裝置等,都是利用油來傳送動力。

▲手動油壓拖板車

▲挖土機

▲油壓千斤頂

 

 

如何當個大力士

  賣場中常見到油壓拖板車,是利用流體傳送動力,用較小的力就可以舉起重物,關於油壓拖板車的內部動力傳送的原理,我們可以進一步利用簡單的實驗器材來試試。

1、將大、小注射筒用塑膠管連接起來。

2、將膠泥固定在小注射筒上,壓一壓大注射筒。

3、再將膠泥改固定在大注射筒上,壓一壓小注射筒。

 

 

討論

  1. 手壓大、小兩個注射筒的感受是否相同?

不同。手壓大的注射筒較費力,手壓小的注射筒較省力。

2.為何會有這樣的結果?所以施力要在哪邊較省力呢?

因為在密閉容器中,流體壓力會平均分散,所以受力面積越大,承受的壓力就越大。因此施力在小的注射筒上較省力。

 

  將注射筒內裝入液體再試試看,結果是否與氣體相同?所需的力比較大還是比較小呢?做實驗探討看看吧!

結果同樣會是手壓大的注射筒較費力,手壓小的注射筒較省力。但因為空氣會被壓縮,而液體不會,因此不須要施加像壓縮空氣時一樣大的力,即可達到相同效果。

 

 

神乎其技的投石器

  阿基米德(Archimedes,西元前287~212年)是一個偉大的數學家和物理學家,他出生於希臘。從小受家庭影響,十分喜愛數學,曾到當時西方世界的知識、文化中心―亞歷山大城求學。回國後,受到國王的禮遇,經常出入宮廷。他曾說過這樣一句話:「給我一個支點和一根夠長的棍子,我就能搬動地球。」這句話雖然不切實際,但卻傳神的告訴我們:利用槓桿能產生巨大的作用。

  後來,希臘羅馬發生戰爭,希臘軍隊潰不成軍,無力抵抗,阿基米德見狀,不禁開始思索:「光靠人力去對抗羅馬軍隊,幾無勝算,看來得發明新的武器才行!」他不停的思索,希望能研發出一種省力、容易操作,而且攻擊性又強的武器,最後他終於利用槓桿原理製造出一批投石器。

  投石器的構造很簡單,主要有一個支撐的部位當作支點,上面架著木頭做的「投擲臂」。投擲臂的一端放置重物,另一端則放置攻擊敵人的石頭。

  發射之前,士兵先將置石網往下拉,將石頭放進去,這時候另一端的重物被抬升到高處,等士兵裝好石頭後再迅速放手,利用另一端重物突然下降的力量,將置石網中的石頭以飛快的速度拋射出去,羅馬軍隊的戰船根本無法抵擋。

  投石器成為非常具有殺傷力的武器,把羅馬軍隊打得落花流水,無法越雷池一步。阿基米德非常有智慧的利用槓桿原理擊退敵軍,保護自己的國家。

 

利用投石器發射出去的石頭,和士兵用人力抬起丟出去的石頭,力量有什麼不一樣?哪一種的效果更好呢?

投石器是利用槓桿原理將石頭發射出去,會比用人力抬起石頭丟擲來得省力,且石頭移動距離、攻擊力道等,都遠比靠人力丟擲的效能佳。

 

六、仔細觀察下圖的齒輪組,並回答問題。

1.把兩個大、小不同的齒輪組合起來,互相咬合。以順時針方向轉動大齒輪,小齒輪會朝什麼方向轉動?請在圖中用箭頭畫出來。

● 兩個互相咬合的齒輪,轉動方向一樣嗎?請在   中打   。

2.數一數,上圖的齒輪各有多少齒?請記錄在下表中。

(1)當大齒輪轉動1齒時,會帶動小齒輪轉動       齒。

(2)當大齒輪轉動1圈時,會帶動小齒輪往(         )(填相同或相反)方向轉動(        )齒,等於轉動(            )圈。

(3)當小齒輪轉動1圈時,會帶動大齒輪往(         )(填相同或相反)方向轉動(        )齒,等於轉動(            )圈。

 

 

斜面的應用

  爬山是一項有益身心健康的運動,登高望遠的過程及山上新鮮的空氣總令人感到無比舒暢。但有時陡峭的山坡也令許多人裹足不前。還好只要沿著蜿蜒的山路緩步上升,就能耗費比較少的體力,慢慢從山腳走到山頂。

  你知道嗎?蜿蜒曲折的山路其實是簡單機械中「斜面」的應用。從山腳到山頂的直線距離可能只有數百公尺,但蜿蜒的山路拉直來看,路徑卻可能長達幾公里。

山路越長,需要花越多的時間走完,但是在行走的過程中卻比較省力。

  斜面在生活中的應用無所不在,無論是通往高速公路的交流道、傾斜而上的樓梯、無障礙坡道,甚至是斧頭由厚到薄的刀鋒,都是斜面的應用,讓我們在使用時更省力,更方便。

 

▲蜿蜒的山路是「斜面」的應用

 

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