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从零讲:机器-人-机构设计之重力摆与科教

转载 2015-07-02 00:46:56

风吹动树叶来回摆荡,大家或许司空见惯了摆动,但在16世纪却有一位科学家伽利略发现了摆动背后的物理现象。有一天,伽利略望着比萨大教堂天花板上一个吊灯忽然摆动着,他观察到吊灯每一次来回摆动的时间看起来似乎是一样的,并且利用自己的脉搏跳动的次数当作测量时间的工具,果然发现不管吊灯摆动的幅度是大或小,每摆动一次所需经过的时间都是相同的!就这样,伽利略无意中发现了单摆的等时性,是个有趣的物理学现象。所谓摆,就是把一个物体或称为摆锤,用细线悬挂在固定点并受到重力的作用下来回自由摆荡的物理现象,如左图所示。当摆来回自由摆荡时会很自然地形成稳定的节拍,接下来我们分析有关摆特有节拍的性质。摆来回摆荡一次所经历的时间称之为周期,而悬挂点到摆锤的距离则称之为摆长。摆的周期取决于重力,以及摆线的长度,而与摆锤的重量、摆幅的大小都没有关系。

单摆要取小角度摆荡,才有等时性的近似解;而重力摆则是要取大角度摆荡,以求有冲击性的力道。因此,这次新款机构动力车的核心部件是采用智高积木的大齿轮当作是重力摆,就是想运用其冲击力道来节制动力蓄能与释放的启动步骤。就让重力摆引领我们,顺着中国高铁的引进消化吸收再创新的心法,一起动手操作积木。首先,从零开始思考,机构动力车在车轮、平台、动力三方面,由于有着相同平台化的底盘骨架,除了轮子不用重新发明,底盘骨架平台也不用再重新发明,就只剩下动力单方面着眼进行设计,这样就可以快速有效地把重力摆设计安装在新款车的框架里,这也是机构动力车集团军能够经济有效创新智造的奥秘,当然还要经过多番的尝试与犯错。以下就是创新智造出来具有重力摆特色的新款机构动力车。

保有重力摆特色尚处于待命状态的新款机构动力车 

上图是运用重力摆特色的新款机构动力车其左侧尾部连杆尚未触发的情况,当然,其底盘骨架平台上灰色框架右侧顶边向右上方延伸出一个可活动的连杆在其末端挂着黄色大齿轮重力摆,表示重力摆联动连杆尚未顶起当作棘爪还卡在后轮轴上中齿轮的连杆,因此机构动力车尚处于待命状态。下图则是运用重力摆特色的新款机构动力车,其右侧尾部连杆受到碰撞,因而触发启动的情况,这时重力摆下锤,其底盘骨架平台上灰色框架右侧顶边的可活动连杆已经呈水平,那是受到重力摆下锤作用,进而使重力摆联动连杆已经顶起原先具有棘爪作用的连杆,起得了杠杆作用进而抛开棘爪,现在已松动后轮轴上的中齿轮了,说时迟那时快,储能立马转换成为快速运转的动力,只见,机构动力车像一只脱缰之马往前奔驰。

保有重力摆特色已触发启动的新款机构动力车

科学教育研究对科学史在科学教学的角色、功能与重要,有许多肯定的论文,至于如何做,也就是路子要怎么走,尚缺乏可实践且人人能懂的简易地图。登月英雄阿姆斯特朗前些时候已经长,而他的这句话:『个人的一小步是人类的一大步』,却能点醒让人领悟出,科学教育就是把这句话倒过来做就是了。这话是什么意思呢?是这样讲的,牛顿若没有旧科学当肩膀,他不可能看得更远。(牛顿名言:他站在巨人的肩膀上,所以看得更远。)显然,科学史不只是人类科学发展启蒙的一大步,更应该是个人科学养成教育的启蒙一小步。简单讲就是科学史的启蒙一大步要落实到初小学科教的一小步,这一小步要确实占好在启蒙一大步的头上科学种苗更利于扎根

拿比方单摆与时间观的建立现代教学一般会采用光电管或定时器进行单摆实验教学上以精密量测来证明单摆的等时性。其实这样做是不符合科学史的启蒙过程也就是说伽利略发现摆背后的物理现象过程中他并没有我们现实里所用的『钟』和『表』而且当时的时间观是停留在生活上的概念而不是建立在物理上的概念。这得要先交代当时的背景包括时代环境背景以及伽利略理性思维辩证的主旋律我们要交给下一代幼苗的不是公式、不是精密量测、更不是科学史的背诵而是那伽利略带来科学大跃进的理性辩证的思维方法。古代使用过日规、滴漏、蜡烛计时,以后是教堂里用的重力钟等,这是相对长时段对生活作息有益的时间观,但这些计时工具对短时段自然现象探索显然已经不符运用要求,科学家要求的是能精确测量分和秒的计时工具。1583年,伽利略在比萨教堂里注意到一盏来回摇摆的灯,他以脉搏的跳动计算摆动的时间,发现每一次摆动都用同样的时间。随后用线悬铜球作模拟实验,架起了两个长度相同的摆,将其中一个摆晃动大一些,另一个小一些,结果发现他们的时长的确相同,确证了微小摆动的等时性。小角度摆荡实验还表明,摆动的时间只和摆的长度有关系。伽利略用一个自制的滴水钟来观测这个时间的准确性,当单摆在摆动时,他让水通过一个大水桶底部的小孔,流到下面的小杯内,如果两次摆动流出的水的重量一样,表示这两次摆动所用的时间就是一样的。他想要使摆动时间加倍,首先尝试保持固定的摆锤重,只单纯让摆长扩大为二倍,实验发现摆荡时间会增长一些,但不是整数倍率;再试着将摆长扩大为三倍看看,实验发现摆荡时间又比刚才增长一些,也还不是整数倍率;接着让摆长扩大为四倍,实验发现摆荡时间恰比最初增长一倍,也就是说,此时摆动时间增为原来二倍;这下第一次出现整数倍率。如果进一步想要使摆动时间增为原来三倍,则摆长必须扩大为九倍,依此类推,可归纳出结论即摆长与摆动时间的平方成正比例关系,同样的比例验证思维,现在只是将摆长固定,只单纯让摆锤重量成倍加大,经小角度摆荡实验,发现摆动的时间和摆锤重丝毫没有关系。

这样的发现,比早先在比萨大教堂圆顶「伽利略吊灯」发现摆的等时性,更具有数学底蕴,他把物理学与数学紧密结合起来,以准确的数学证明寻求物质运动的规律,用数学语言表达物理的定律。伽利略数学分析与证明法大量依赖于欧几里得《几何原本》第五本中的比例论。没错,这个比例论正是伽利略理性思维辩证的主旋律在实验物理上运用数学是一个重要创新,他的数学方式在当时也是相当标准,容易受当代科学家接受。伽利略倡导数学与实验相结合的科学研究方法,这种研究方法是他在科学上取得伟大成就的源泉,也是他对近代科学的最重要贡献。他以系统的实验和观察推翻了纯属思辨传统的自然观,开创了以实验事实为根据并具有严密逻辑体系的近代科学,因此伽利略被誉为“现代科学之”。而这个比例特性也能在初小学课程中多多介绍例如相似三角形对应边成比例关系也可依此证明勾股定理更能运用比例关系延伸到三角函数的介绍当然也可用来介绍更早的科学史,大约公元前240左右,希腊人埃托斯特尼是如何算出地球周长的第一人还有浓度、密度等等,都与比例脱离不了关系。

现在我们知道这个单摆规律要处于小角度的摆动才能够成立,当摆动弧度过大时就不大准确了。1657年,荷兰科学家惠更斯利用伽利略的发现,首先定义出秒摆,并制出精确的摆钟,这才建立起物理上的时间观,这时与离伽利略在比萨教堂按脉搏看吊已晚了将近八十年之久另外,当前物理教科书所列的单摆公式,其实是由惠更斯首次证明并写下来的;至于当年伽利略所写下的,只是单摆相关物理量比例关系的诠释,初小学若能就比例关系这样教育,具有伽利略的水平了,善哉!

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