關鍵概念
物理學
速度
力
重量
重力
幾何學
引言
今年夏天，你是否花時間在腰部或手臂上轉動呼啦圈？ 你能輕鬆做到還是覺得困難？ 你有沒有想過呼啦圈是如何工作的，或者是什麼讓它們能夠圍繞人的腰部或手臂旋轉——似乎違反了重力？ 答案可以用物理學來解釋，它可以幫助你確定什麼使呼啦圈有效。 在此活動中，你將建立自己的呼啦圈，並研究它們的重量如何影響它們的旋轉。 你認為重的呼啦圈還是輕的呼啦圈會轉得更好？ 準備好做一些呼啦圈運動來找出答案吧！
背景
是什麼讓呼啦圈圍繞人的腰部旋轉？ 這歸結於幾個因素的組合。 每個物體都有重量，它會將其向下拉向地面。 為了將物體從地面抬起，你需要施加一個向上的力（推力或拉力）。 為了使物體旋轉，你需要施加一個產生扭矩的推力或拉力（例如當你扭動門把手時）。 因此，要使呼啦圈旋轉並保持在空中，你需要用你的臀部施加向上的力和扭矩。 呼啦圈過程中涉及的另一個力是摩擦力，即抵抗兩個表面相互滑動的力。 例如，如果你推一本書並讓它在桌子上滑動，它會由於摩擦而減速停止。 如果你想讓它繼續移動，你必須一直推它。 同樣，呼啦圈與呼啦圈使用者的衣服和空氣之間的摩擦會導致呼啦圈的旋轉減慢。 為了讓它保持在空中，你必須不斷地旋轉它並向上推它。 然而，當它與你的臀部接觸時，摩擦力也有助於防止呼啦圈向下滑動。
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對於一個玩具來說，這聽起來可能有很多複雜的物理學原理，但別擔心！你將在這個專案中做一些呼啦圈運動並親自探索。 你認為呼啦圈的重量如何影響它的旋轉？
材料
• 捲尺
• 計算器
• PVC切割器（首選），或鋒利的切割刀或其他可以安全切割聚管的切割器
• 聚管，通常用於灌溉的硬質黑色管材（五分之八、四分之三或一英寸直徑，長度約 25 英尺，但通常以 100 英尺的卷出售）。 可從園藝用品店或家居裝修店購買。
• 聚插入式接頭或木銷，可以緊密地安裝在聚管內。 例如，如果你使用四分之三英寸的管材，你將需要使用四分之三英寸的聚插入式接頭。 這也應該可以從園藝用品店或家居裝修店購買。
• 吹風機
• 寬塑膠膠帶，如管道膠帶
• 一杯沙子
• 量杯
• 開口可以放入聚管的漏斗或一張厚紙和膠帶
• 水桶（可選）
• 定時器或秒錶
• 成人幫手
• 另一個幫助測試呼啦圈的幫手（可選）
準備工作
• 測量從地面到呼啦圈使用者肚臍和胸部中間位置之間的距離。 這將是呼啦圈的高度（或直徑）。
• 為了計算出要切割製作呼啦圈的聚管長度，將你剛測量的數字乘以 pi (3.14)。 （圓的周長等於 pi 乘以圓的直徑。）
• 測量所需的聚管長度，並讓成人使用 PVC 切割器或鋒利的切割刀小心地在正確的位置切割管材。
• 使用聚插入式接頭（或木銷）連線管材的末端，使它們形成一個圓。 如果配合緊密，請在將接頭插入管材內部之前，使用吹風機將管材末端（一次一個）加熱約兩分鐘。 將接頭插入管材的一端，直到接頭插入一半左右，然後將接頭的另一半插入管材的另一自由端。 將管材推到一起，直到幾乎看不到（或看不到）接頭，如果難以插入接頭，請使用吹風機加熱管材。
• 在管材兩個末端連線的地方放上一小段寬塑膠膠帶。
• 按照此過程製作第二個尺寸相同的呼啦圈，但這次在用聚插入式接頭連線末端之前，在管中加入一杯沙子（以增加其重量）。 要新增沙子，請使用漏斗小心地將沙子倒入管中。 你可能需要在水桶上方執行此操作和/或讓幫手協助。 （你應該將任何溢位的沙子倒入管中。）如果你沒有漏斗，你可以將一張厚紙捲成錐形，在末端留一個孔，然後用膠帶固定，從而製作一個漏斗。 當你製作完兩個呼啦圈後，它們彼此之間的感覺如何？
步驟
• 現在你將用自制的呼啦圈做一些呼啦圈運動。 如果你需要關於如何使用呼啦圈的說明或技巧，你可以觀看線上教學影片，例如這個。
• 先拿起較輕的兩個呼啦圈試用。
• 讓一個人（你自己或幫手）在他們的腰部周圍使用呼啦圈，當他們達到穩定的節奏時，幫手開始計時。 讓幫手對這個人計時一分鐘，並計算出呼啦圈在那段時間內轉了多少整圈。 如果呼啦圈使用者無法在整整一分鐘內使用呼啦圈，請嘗試重新開始或嘗試僅收集 30 秒的資料。呼啦圈使用者在一分鐘內能讓較輕的呼啦圈旋轉多少次？ 呼啦圈使用者轉得如何？ 它看起來是否笨拙或旋轉良好？
• 對較重的呼啦圈重複此過程，再次計時呼啦圈使用者在一分鐘內可以轉多少圈。（確保呼啦圈使用者在收集資料時不要換衣服。）呼啦圈使用者旋轉較重的呼啦圈比旋轉較輕的呼啦圈快還是慢？ 你認為這是為什麼？ 這個呼啦圈旋轉起來感覺更笨拙還是更輕鬆，或者與另一個呼啦圈差不多？
• 哪個呼啦圈轉得更快，較輕的還是較重的？ 速度更快的呼啦圈是否也是一旦開始就最容易旋轉的？
• 如果你願意，你可以為每個呼啦圈重複此過程幾次。 你的結果是否一致？
• 為了獲得更多資料，呼啦圈使用者和幫手可以交換角色，併為兩個呼啦圈重複此過程。 其他人是否獲得了類似的結果？
• 額外：在此活動中，你比較了尺寸相同但重量不同的呼啦圈。 你可以再次重複此活動，但這次製作尺寸不同的呼啦圈。 提示：最小的呼啦圈的直徑應達到呼啦圈使用者的肚臍，最大的應達到他們的胸部中間。呼啦圈的尺寸如何影響其旋轉？
• 額外：你可以製作更大範圍的呼啦圈，例如透過新增不同數量的沙子和/或製作幾種不同尺寸的呼啦圈。 速度、重量和/或呼啦圈的尺寸之間是否存在關係？ 如果是，那是什麼？
• 額外：嘗試穿著不同型別的衣服使用呼啦圈。 不同的服裝會影響呼啦圈的旋轉速度嗎？ 你可以將你的結果與摩擦力聯絡起來嗎？ 觀察和結果
較重的呼啦圈是否比較輕的呼啦圈轉得慢？ 是否很難讓較重的呼啦圈長時間旋轉，而讓較輕的呼啦圈旋轉則容易得多？
添加了沙子的呼啦圈應該明顯比沒有沙子的呼啦圈感覺更重。 由於其重量更大，較重的呼啦圈在空中旋轉時會被更多地向下拉。 呼啦圈使用者可能感覺需要更加努力才能使較重的呼啦圈保持向上旋轉，甚至可能難以將其保持在腰部水平以上 30 秒。 較重的呼啦圈的旋轉速度可能比輕的呼啦圈慢得多（例如，較重的呼啦圈每分鐘旋轉約 60 到 70 轉，而較輕的呼啦圈每分鐘旋轉 100 到 120 轉），儘管可能會有很多變化，具體取決於呼啦圈使用者和呼啦圈。
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此活動由 科學夥伴合作推出