小數蛙和狐狸貓約好一起騎腳踏車上山看風景

兩人會合後　便迫不及待地出發前去登山

一開始道路十分平緩

隨著高度漸漸上升

路線的坡度也越來越陡

兩人覺得越來越吃力

正好這時遇到了岔路口

於是決定停下來休息一下

順便討論應該要走哪一條路

小數蛙想起了

自己在入山口處有拍下自行車步道的地圖

小數蛙趕忙拿出手機和狐狸貓一起討論

看來總共有兩條路線可以登山

分別是直接登山的路線　也就是我們現在走的路

螺旋型的路線

兩種路線可以選

螢幕前的你　覺得選擇哪一條路線才能比較輕鬆省力呢？

走直線就是直接從斜面攻頂

而螺旋形的路線

就像是將斜面圍繞在圓柱上

可以被展開類似為一個斜面

而以不同的傾斜程度的斜面上山

會有什麼不同的影響呢？

小數蛙靈光一現

想起來很多公家機關或是商店的門口

都有設置無障礙坡道

這些無障礙坡道　讓我們可以輕易地把輪椅推上階梯

而不是艱難的直接將輪椅搬上階梯

所以斜面是可以幫助我們省力的！

想要知道這個問題的答案

我們就必須先來瞭解

另一項簡單機械「斜面」

先想像一個情境

今天由一個搬運工人

要將貨物放上高度為H的平台

如果垂直將貨物抬到平台上

需要作的功為mg乘H

如果工人是利用斜面來搬運

工人施力F　施力斜面的距離L

做的功為F乘L

若不計摩擦力影響

則兩種方法物體增加的位能相同

所需要做的功自然也相同

所以F乘L等於mg乘H

F等於mg乘H除以L

我們可以知道

當L越長　也就是坡度越平緩時

我們所需要施的力就越小

但是L越長　所需要推的時間也越長

所以我們費時

所以坡度越緩的斜面　越省力　但是卻費時

而坡度越陡的斜面　則是越費力　但卻省時

舉例來說

阿里山也將火車鐵軌設計成Z字形

以此減緩上山的坡度

因為Z字形的軌道

其實也就是一個較平緩的斜坡對折再對折後的結果

或是將火車上山的鐵軌

設計為繞著山螺旋上升

讓火車爬坡不會這麼的吃力

而這種將斜面圍繞在圓柱上的工具

很常在日常生活中使用到

所以也被歸類為簡單機械的一種

即稱為螺旋

舉例來說

螺絲釘就是就應用螺旋的原理

在普通的釘子上纏繞上了斜面後

就成為了螺絲

他屬於斜面的一種的變形

螺旋上凸出的紋路稱為螺紋

而相鄰的兩個螺紋延圓柱軸方向的距離稱為螺距

螺距越小　螺紋越密

展開出來的斜面越平緩

也就越省力

但同時

因為平緩的斜面距離較長

所以比較費時

反之

螺距越大　螺紋越疏

展開出來的斜面越陡

也就沒有那麼省力

但因為陡峭的斜面距離較短

所以比較省時

相信大家都有鎖過螺絲的經驗

但是都沒有認真觀察體驗過

所以螢幕前有興趣的你

可以找找看家裡的工具箱

看看有沒有不同螺距的螺絲

實驗看看將螺絲鎖進木板時的感受相不相同

實驗完後

會發現如果要將螺絲旋入同樣深度

需要旋轉螺距窄的螺絲較多圈

花費較多時間才能達成

而相較之下

螺距寬的螺絲只需要旋轉較少圈

耗時較短

現在學會了斜面和螺旋這兩項簡單機械了

狐狸貓對小數蛙說：

知道要選哪條路我們會騎的最輕鬆了嗎？

小數蛙回應：

兩條路線比起來

螺旋狀的路線是最平緩　最輕鬆的

我們就走這條路線吧！

狐狸貓點點頭贊同：

雖然路途比較長

不過我們也不趕時間

沿途還可以看風景也不錯！

我們出發吧！

兩人騎著騎著

小數蛙的腳踏車竟然落鏈！

小數蛙沮喪地低頭　喃喃自語的說：

「唉！出門就遇到這種事　怎麼辦？」

「小等一下！」狐狸貓說

其實只要瞭解腳踏車的機械原理

修好它輕而易舉！

狐狸貓要求小數蛙先觀察一下

說說自己的腳踏車發生了什麼事？

小數蛙觀察後

發現他的腳踏車前後輪上

有著大大小小不同尺寸的齒輪

而後也發現了「落鏈」的發生

是因為腳踏板驅動的齒輪

與後輪的齒輪之間的鏈條脫落了

螢幕前的你　知道要怎麼修好小數蛙的腳踏車嗎？

歡迎在留言區留下你的解決小撇步喔！

想要知道腳踏車究竟是怎麼開始移動的

我們得先從存在於腳踏車上的齒輪介紹起

齒輪　也是一種簡單機械

齒輪上的許多突起

我們稱之為輪齒

齒輪之間以輪齒相扣

只要施力使其中的一個齒輪轉動

另一個齒輪就會跟著轉動

藉由齒輪可以幫助施力者將施力傳遞出去

要特別注意齒輪轉動的方向

相鄰齒輪的旋轉方向不同

齒輪除了可以直接以不同齒輪的輪齒相扣連接外

也可以利用鏈條連接兩顆齒輪

其轉動方向會是相同的

仔細觀察

可以發現不論是用鏈條相接的兩個齒輪

還是直接相接的兩個齒輪

當齒輪A轉動一格

齒輪B也會因為齒輪A的帶動轉動一格

用鏈條連結的齒輪也是如此

因此

我們可以知道

每個齒輪所轉的總輪齒數都是相同的

小數蛙現在讓我來考考你

是否已經了解齒輪了

瞭解齒輪的原理後

你知道怎麼解決腳踏車「落鏈」的問題了嗎？

「落鏈」的狀況下

只需要將鏈條重新掛上前後齒輪上

讓腳踏板連結的齒輪可以帶動後輪齒輪

腳踏車就可以順利前進了

不一會兒的功夫

小數蛙跟狐狸貓就協力將腳踏車修好了

終於可以繼續往前了！

最後我們來統整一下今天的重點吧！

今天認識了三種簡單機械

第一種簡單機械是斜面

我們知道了斜面的坡度平緩

則其斜邊的長度越長

根據F等於W乘H除以L

可以知道

這樣的斜坡雖然能夠省力

但是卻因斜邊的長度長所以費時

第二種簡單機械是螺旋

螺旋其實是一種斜面的變形

他的螺距越小

意味著其展開的斜面越平緩

帶來省力費時的效果

第三種是齒輪

如果今天有兩個相互連接的齒輪

齒輪A轉動的總齒數

會跟齒輪B轉動的總齒數相等