機(jī)械傳動(dòng)中的光影萬(wàn)花筒

朱明遠(yuǎn)

小時(shí)候的我很喜歡玩萬(wàn)花筒，它帶給我無(wú)盡的遐想和喜悅。長(zhǎng)大后我卻發(fā)現(xiàn)，市場(chǎng)上的萬(wàn)花筒與小時(shí)候的區(qū)別不大，缺乏新意。

在萬(wàn)華鏡科學(xué)館，我見到了讓人驚艷的萬(wàn)花筒作品：有的將聲音與光結(jié)合，有的把力學(xué)的曲柄搖桿結(jié)構(gòu)與光結(jié)合，有的融入了環(huán)保理念……這給了我很大的啟發(fā)：能否把齒輪傳動(dòng)等力學(xué)知識(shí)與光學(xué)知識(shí)結(jié)合，做一款富有新意的萬(wàn)花筒？

通過(guò)無(wú)數(shù)次的試驗(yàn)，我制作了帶有傳動(dòng)裝置的萬(wàn)花筒。在其觀察端，有一個(gè)縱向傳動(dòng)輪裝置和橫向傳動(dòng)輪裝置，一個(gè)三角形的觀察口和防塵蓋。在其標(biāo)的物端，有一個(gè)亞克力的轉(zhuǎn)箱與橫向傳動(dòng)輪裝置連接，轉(zhuǎn)箱內(nèi)是各種可愛的、顏色豐富的標(biāo)的物。

萬(wàn)花筒的外部用木片制成，涂上了我喜歡的顏色。木片結(jié)構(gòu)箱體內(nèi)是由亞克力有機(jī)玻璃組成的三棱鏡，是萬(wàn)花筒成像的主體。通過(guò)手動(dòng)操作傳動(dòng)輪裝置，牽引萬(wàn)花筒的標(biāo)的物箱體轉(zhuǎn)動(dòng)，讓標(biāo)的物的變化帶動(dòng)成像的內(nèi)容變化，就能讓萬(wàn)花筒的成像變幻多端。

這個(gè)萬(wàn)花筒利用了哪些原理？

一、機(jī)械傳動(dòng)部分

轉(zhuǎn)動(dòng)搖柄，主動(dòng)輪轉(zhuǎn)動(dòng)，通過(guò)皮帶傳動(dòng)，從動(dòng)輪1、2、3依次轉(zhuǎn)動(dòng)，最終帶動(dòng)標(biāo)的物轉(zhuǎn)盤轉(zhuǎn)動(dòng)。主動(dòng)輪與從動(dòng)輪1之間的速比（角速度之比）是2∶1，主動(dòng)輪轉(zhuǎn)兩圈，從動(dòng)輪1轉(zhuǎn)一圈，轉(zhuǎn)動(dòng)速度減慢。從動(dòng)輪1與從動(dòng)輪2同在一個(gè)軸上，速比一樣。從動(dòng)輪2與從動(dòng)輪3的速比是1.5∶1，轉(zhuǎn)動(dòng)速度減慢，從動(dòng)輪3與標(biāo)的物轉(zhuǎn)盤同軸，轉(zhuǎn)動(dòng)速度一樣。

為什么設(shè)計(jì)這套傳動(dòng)裝置？主動(dòng)輪與從動(dòng)輪大小一樣不行嗎？

這是因?yàn)檗D(zhuǎn)動(dòng)搖柄時(shí)，速度相對(duì)較快，如果主動(dòng)輪與從動(dòng)輪同樣大，標(biāo)的物轉(zhuǎn)盤轉(zhuǎn)動(dòng)會(huì)很快，人在觀察時(shí)會(huì)眼花繚亂，易產(chǎn)生眩暈感，而且標(biāo)的物也會(huì)很模糊。如果標(biāo)的物轉(zhuǎn)盤速度通過(guò)主動(dòng)輪與從動(dòng)輪之間的速比關(guān)系下降，觀看效果更佳。

二、萬(wàn)花筒主體成像部分

傳統(tǒng)萬(wàn)花筒一般按等邊三角形擺放三片鏡片形成三棱鏡，成像為完全對(duì)稱式。我設(shè)計(jì)的萬(wàn)花筒沒有采用常規(guī)角度，而是用頂角為銳角的等腰三角形擺放鏡片，每組完整的成像效果都是“一帶三”，既漂亮又有特點(diǎn)。

萬(wàn)花筒成像一般通過(guò)平面鏡成像和光在棱鏡中的多次反射實(shí)現(xiàn)。平面鏡采用玻璃材質(zhì)，成像清晰，畫質(zhì)好，但出于安全考慮，我用亞克力板代替玻璃，既能保證光在傳播過(guò)程中發(fā)生全反射，又能最大程度降低能量損耗，讓成像效果更好。

三、萬(wàn)花筒支架

通過(guò)附加配重降低萬(wàn)花筒的重心，讓其保持平衡。

總之，我設(shè)計(jì)的機(jī)械傳動(dòng)光影萬(wàn)花筒具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、安全美觀、玩法新穎、成像多樣、制作成本低等特點(diǎn)。當(dāng)然，機(jī)械傳動(dòng)中的光影萬(wàn)花筒還有很多可以改進(jìn)的空間，比如傳動(dòng)裝置的穩(wěn)定性等，未來(lái)我將不斷學(xué)習(xí)相關(guān)知識(shí)和技術(shù)，讓這個(gè)能培養(yǎng)兒童思維和觀察能力的益智玩具變得更有活力。（指導(dǎo)老師：陳 巖）