核心概念
物理學
工程學
勢能
動能
能量守恆
簡介
你可能知道什麼是投石機。在中世紀，軍隊會用它們向城堡的牆壁投擲石頭。但是，你是否知道一種更大的中世紀攻城武器，叫做投石機？試試這個專案來製作一個迷你版本！
背景
“把科學帶回家”活動製作一個投石機向你展示瞭如何用冰棒棍和橡皮筋製作一個迷你投石機。這個投石機的工作原理是儲存彈性勢能——從拉伸橡皮筋或彈簧等物體獲得的能量——並迅速將其轉換為彈丸（在這種情況下是棉球）的動能（運動能量）。
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投石機的工作方式不同。它依賴於重力勢能——透過將物體從地面抬起獲得的能量型別。投石機有一個槓桿臂，一端有一個大的、重的配重，另一端有一個較小的彈丸。當配重被抬起時，它具有很大的重力勢能。然後，允許配重下落，旋轉槓桿臂，並將該勢能轉化為彈丸的動能，彈丸被拋向空中。
許多中世紀的投石機更大，甚至可以將彈丸投擲得比投石機更遠。準備好製作你自己的投石機吧！
材料
一塊瓦楞紙板，大約一英尺乘一英尺
冰棒棍
剪刀
鉛筆
特大號或“奶昔”吸管
膠水（如果有熱熔膠槍是最好的，但使用熱熔膠時請小心並尋求成人幫助。）
膠帶
橡皮筋
繩子
回形針
AA電池
準備
將所有材料組裝在一個開闊且沒有人、動物或易碎物品的地方，以便您可以測試您的投石機。安全提示：切勿將彈丸對準人或動物。玩具投石機可能看起來無害，但即使是很小的彈丸也可能造成眼睛損傷。
要製作你的投石機，你將建造一個看起來幾乎像鞦韆架的框架。它將在兩側有兩個“A”字形的部件，頂部有一個橫杆。有不止一種方法可以做到這一點，所以這裡描述的過程只是一種方法。例如，你可以決定用鉛筆而不是冰棒棍製作整個框架，你可以選擇使用膠帶、膠水或橡皮筋來固定不同的接頭。把它看作一個工程設計專案——沒有唯一的“正確答案”或製作投石機的正確方法。你可以根據自己的想法和可用的材料修改你的設計。
首先建造兩個側面的A字形部件。取五根冰棒棍，將其中一根切成兩半。使用兩根長棍和一根半根棍子形成一個“A”字形，但要確保長棍在頂部略微交叉，形成一個微型的“V”字形。這將留下一個小缺口，供鉛筆稍後放置。將它們粘在一起，並用其他部件重複此操作。
小心地在你的瓦楞紙板上切出槽口，讓你的A字形部件可以直立，彼此相隔幾英寸。將A字形部件的末端插入槽口。如果需要，用膠水、膠帶和一些額外的冰棒棍部件加固連線，使其能夠自行站立。
現在你將製作投石機的臂。小心地在一根冰棒棍的一端附近的兩側切出兩個小缺口。缺口應該足夠寬，可以滑入一根繩子。這將有助於將你的配重固定到位。
使用膠帶或橡皮筋將一小段繩子環綁在你的AA電池上。將電池懸掛在冰棒棍的缺口中。如有必要，加深缺口或用膠帶、膠水或橡皮筋固定繩子。你認為在這個設計中有一個配重為什麼重要？它如何幫助利用重力勢能的概念？
將回形針的一端展開，使其幾乎筆直，但不是完全筆直。將回形針剩餘的扁平部分連線到冰棒棍的另一端，展開的部分向外向上（遠離配重）指向。這將作為一個鉤子，用於固定“吊索”，而吊索又固定彈丸。
從鉛筆上取下橡皮擦，並將其連線到一小段繩子環上。將橡皮擦懸掛在回形針鉤上。
切下一小段奶昔吸管，大約一英寸長。使用膠水、橡皮筋或膠帶將其垂直連線到冰棒棍臂上。吸管應該比靠近鉤子更靠近配重。（這個距離是你以後可以嘗試調整的。）
將鉛筆滑入奶昔吸管中。
將鉛筆放入A字形部件頂部的兩個V形缺口中。用橡皮筋將其固定到位。這形成一個橫杆並完成了你的投石機框架。吸管和鉛筆形成一個樞軸，應該允許手臂旋轉。（我們不建議在此步驟中使用膠水——這樣你就可以拆下橫杆並更換手臂進行更改。）
確保你的投石機堅固且框架保持在一起。嘗試用手旋轉手臂。如果任何接頭看起來很弱或框架明顯晃動，請用膠帶、膠水或橡皮筋加固它們。
步驟
現在是測試你的投石機的時候了。用一隻手向下拉橡皮擦。這應該將配重抬到空中。然後，確保附近沒有人、動物或易碎物品，鬆手。當你鬆開橡皮擦時會發生什麼？它是否向前發射？它是否筆直向上飛起？它是否根本無法釋放？
現在你可能需要修補你的投石機才能獲得最佳發射效果。嘗試將橡皮擦拉到投石機框架下方。如果橡皮擦放在地上並且吊索中有鬆弛，那也沒關係。當配重下落時，它會將橡皮擦沿著地面拖動，然後將其拉到空中。你能找到橡皮擦的最佳起點嗎？是什麼讓它飛得最遠？
附加：你可以調整很多變數來提高你的投石機的效能。嘗試更改以下任何內容，看看它們如何影響橡皮擦的投擲距離。你能最佳化你的設計，使橡皮擦儘可能地投擲出去嗎？
配重的大小：嘗試使用較輕（或較重）的電池。你認為配重的重量會對你的彈丸產生什麼影響？
槓桿臂的長度：包括總長度以及從樞軸到配重的距離與樞軸到吊索的距離之間的比率。如果你移動樞軸使其正好位於臂的中間會發生什麼？如果你將多個冰棒棍粘在一起以形成一個更長的臂會怎麼樣？
吊索的長度：如果你把它做得更長或更短會發生什麼？
鉤子的形狀：如果你彎曲回形針使其更直或更彎曲，或者如果將其剪短會發生什麼？
彈丸的重量：如果你使用橡皮擦以外的東西，例如一小塊揉成團的紙，會發生什麼？
觀察和結果
當你向下拉橡皮擦時，這會導致電池升到空中，使其具有（重力）勢能。當你釋放橡皮擦時，電池會下落，其勢能轉化為橡皮擦的動能。當手臂擺動時，固定橡皮擦的吊索會從鉤子上滑落，橡皮擦的動能導致它作為彈丸飛向空中。
根據你構建投石機的確切方式，你看到的結果會有所不同。請記住，沒有唯一的“正確”方式來構建投石機。一個製作精良的投石機應該能夠將橡皮擦拋擲幾英尺遠。如果你的投石機最初將橡皮擦直接發射到空中或根本無法釋放它，請不要灰心。你應該能夠稍微修補你的設計（請參閱步驟結尾的建議）以使你的橡皮擦發射出去。
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編者注：本實驗中使用的設計靈感來自約翰·奧斯汀的書籍 《迷你大規模殺傷性武器：製作唾液球戰爭的工具》，其中包含更多你可以使用常見家用物品製作的迷你攻城武器的設計。
此活動與科學夥伴合作推出
