機械傳動中的光影萬花筒

■山東省濟寧市兗州區第一中學

小時候的我很喜歡玩萬花筒，它帶給我無盡的遐想和喜悅。長大后我卻發現，市場上的萬花筒與小時候的區別不大，缺乏新意。

在萬華鏡科學館，我見到了讓人驚艷的萬花筒作品：有的將聲音與光結合，有的把力學的曲柄搖桿結構與光結合，有的融入了環保理念……這給了我很大的啟發：能否把齒輪傳動等力學知識與光學知識結合，做一款富有新意的萬花筒？

圖1 作者觀察萬花筒

通過無數次的試驗，我制作了帶有傳動裝置的萬花筒。在其觀察端，有一個縱向傳動輪裝置和橫向傳動輪裝置，一個三角形的觀察口和防塵蓋。在其標的物端，有一個亞克力的轉箱與橫向傳動輪裝置連接，轉箱內是各種可愛的、顏色豐富的標的物。

萬花筒的外部用木片制成，涂上了我喜歡的顏色。木片結構箱體內是由亞克力有機玻璃組成的三棱鏡，是萬花筒成像的主體。通過手動操作傳動輪裝置，牽引萬花筒的標的物箱體轉動，讓標的物的變化帶動成像的內容變化，就能讓萬花筒的成像變幻多端。

這個萬花筒利用了哪些原理？

一、機械傳動部分

轉動搖柄，主動輪轉動，通過皮帶傳動，從動輪1、2、3 依次轉動，最終帶動標的物轉盤轉動。主動輪與從動輪1 之間的速比（角速度之比）是2 ∶1，主動輪轉兩圈，從動輪1 轉一圈，轉動速度減慢。從動輪1 與從動輪2 同在一個軸上，速比一樣。從動輪2 與從動輪3 的速比是1.5 ∶1，轉動速度減慢，從動輪3 與標的物轉盤同軸，轉動速度一樣。

為什么設計這套傳動裝置？主動輪與從動輪大小一樣不行嗎？

這是因為轉動搖柄時，速度相對較快，如果主動輪與從動輪同樣大，標的物轉盤轉動會很快，人在觀察時會眼花繚亂，易產生眩暈感，而且標的物也會很模糊。如果標的物轉盤速度通過主動輪與從動輪之間的速比關系下降，觀看效果更佳。

圖2 光影萬花筒的結構

二、萬花筒主體成像部分

傳統萬花筒一般按等邊三角形擺放三片鏡片形成三棱鏡，成像為完全對稱式。我設計的萬花筒沒有采用常規角度，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。

萬花筒成像一般通過平面鏡成像和光在棱鏡中的多次反射實現。平面鏡采用玻璃材質，成像清晰，畫質好，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程中發生全反射，又能最大程度降低能量損耗，讓成像效果更好。

三、萬花筒支架

通過附加配重降低萬花筒的重心，讓其保持平衡。

圖3 為萬花筒配重

圖4 光影萬花筒成像與傳統萬花筒成像大不同

總之，我設計的機械傳動光影萬花筒具有結構簡單、安全美觀、玩法新穎、成像多樣、制作成本低等特點。當然，機械傳動中的光影萬花筒還有很多可以改進的空間，比如傳動裝置的穩定性等，未來我將不斷學習相關知識和技術，讓這個能培養兒童思維和觀察能力的益智玩具變得更有活力。