机械传动中的光影万花筒
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机械传动中的光影万花筒 发布于:2021/02/21
    小时候的我很喜欢玩万花筒,它带给我无尽的遐想和喜悦。长大后我却发现,市场上的万花筒与小时候的区别不大,缺乏新意。
  在万华镜科学馆,我见到了让人惊艳的万花筒作品:有的将声音与光结合,有的把力学的曲柄摇杆结构与光结合,有的融入了环保理念……这给了我很大的启发:能否把齿轮传动等力学知识与光学知识结合,做一款富有新意的万花筒?
  通过无数次的试验,我制作了带有传动装置的万花筒。在其观察端,有一个纵向传动轮装置和横向传动轮装置,一个三角形的观察口和防尘盖。在其标的物端,有一个亚克力的转箱与横向传动轮装置连接,转箱内是各种可爱的、颜色丰富的标的物。
  万花筒的外部用木片制成,涂上了我喜欢的颜色。木片结构箱体内是由亚克力有机玻璃组成的三棱镜,是万花筒成像的主体。通过手动操作传动轮装置,牵引万花筒的标的物箱体转动,让标的物的变化带动成像的内容变化,就能让万花筒的成像变幻多端。
  这个万花筒利用了哪些原理?
  一、机械传动部分
  转动摇柄,主动轮转动,通过皮带传动,从动轮1、2、3依次转动,最终带动标的物转盘转动。主动轮与从动轮1之间的速比(角速度之比)是2∶1,主动轮转两圈,从动轮1转一圈,转动速度减慢。从动轮1与从动轮2同在一个轴上,速比一样。从动轮2与从动轮3的速比是1.5∶1,转动速度减慢,从动轮3与标的物转盘同轴,转动速度一样。
  为什么设计这套传动装置?主动轮与从动轮大小一样不行吗?
  这是因为转动摇柄时,速度相对较快,如果主动轮与从动轮同样大,标的物转盘转动会很快,人在观察时会眼花缭乱,易产生眩晕感,而且标的物也会很模糊。如果标的物转盘速度通过主动轮与从动轮之间的速比关系下降,观看效果更佳。
  二、万花筒主体成像部分
  传统万花筒一般按等边三角形摆放三片镜片形成三棱镜,成像为完全对称式。我设计的万花筒没有采用常规角度,而是用顶角为锐角的等腰三角形摆放镜片,每组完整的成像效果都是“一带三”,既漂亮又有特点。
  万花筒成像一般通过平面镜成像和光在棱镜中的多次反射实现。平面镜采用玻璃材质,成像清晰,画质好,但出于安全考虑,我用亚克力板代替玻璃,既能保证光在传播过程中发生全反射,又能最大程度降低能量损耗,让成像效果更好。
  三、万花筒支架
  通过附加配重降低万花筒的重心,讓其保持平衡。
  总之,我设计的机械传动光影万花筒具有结构简单、安全美观、玩法新颖、成像多样、制作成本低等特点。当然,机械传动中的光影万花筒还有很多可以改进的空间,比如传动装置的稳定性等,未来我将不断学习相关知识和技术,让这个能培养儿童思维和观察能力的益智玩具变得更有活力。(指导老师:陈 岩)作者:朱明远 来源:发明与创新·中学生
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