探秘铁丝陀螺

Yan

一、研究原因

2023年四年级是我第一次听到铁丝陀螺，那还是全区小学生科技节的一个比赛项目。回家后我把想参加铁丝陀螺比赛的想法告诉了爸爸，爸爸非常支持我。于是我和爸爸一起认真研究了比赛规则，上网查询了各地大神不同的制作方法。经过不断的制作、改进、再制作。随后在几年的区级比赛中分别获得过二等奖和三等奖。

二、研究过程

实验一：不同直径铁丝陀螺的对比研究

1.实验材料：

比赛标准的20cm铁丝、尖嘴钳、锉刀、尺

2.制作过程：

(1)根据实验需要分别制作直径25mm、30mm、40mm三种规格的铁丝陀螺

(2)利用自带的三种不同规格的辅助工具，制作大、中、小三种铁丝陀螺

(3)打磨陀螺支点，用砂纸或锉刀将陀螺支点打磨至光滑

(4)调整陀螺

首先将陀螺放至平整的桌面上，陀螺如果往右边倾斜，说明右边比较重。就需要将中间的支点往重的右边移动。再放至桌面观察，如果陀螺左边比较重，再将支点往左边移动(注意：是微调)。重复以上微调反复调节直到陀螺放至桌面，按压微翘的一面，陀螺能轻微的左右、或者上下摆动，不至于立刻倒向某一面。才说明它的平衡性比较好了。

3.实验数据：

表1：不同尺寸铁丝陀螺旋转时间对比

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4. 实验发现：

为减少误差，每组实验重复四次取平均值，分别为25mm=113秒、30mm=94秒、40mm=78秒。实验表明：铁丝陀螺的旋转时间与其大小成反比。具体来说，铁丝陀螺越小旋转时间越长，铁丝陀螺越大旋转时间越短。这是因为较小的陀螺重心更稳定，且体积小导致其与支撑桌面的接触概率降低，减少了能量损耗。

其他影响因素：陀螺体积越大，用手转动时圆圈变形的概率更大。

实验二：不同重心铁丝陀螺的对比研究

1.实验材料：

比赛标准的20cm铁丝、尖嘴钳、锉刀、尺

2.制作过程：

设计支点高度不一的三种铁丝陀螺（直径相同支点高度分别5mm、3mm、1mm）实验前分别打磨支点，调整平衡

2.制作过程：

设计支点高度不一的三种铁丝陀螺（直径相同支点高度分别5mm、3mm、1mm）实验前分别打磨支点，调整平衡

4.实验发现：

此次实验只是简单的将重心理解为陀螺支点高度，而铁圈的四周质量分布基本与支点高度持平，来测试陀螺的旋转时间。由此发现：陀螺的稳定性取决于重心位于支点的正上方或者偏下，当重心与支撑点持平或者重心较低时，陀螺更容易保持平衡，旋转时间更大。

实验结论：陀螺的重心越低，它的转动惯量越大，抵抗倾斜的力量越强，因此更加稳定。反之，重心越高，陀螺容易因微小的扰动而倾倒

实验三：对比制作单圈和双圈两种不同的铁丝陀螺

1.实验材料：

比赛标准的20cm铁丝、尖嘴钳、锉刀、尺、一根3cm直径圆形塑料水管(需比赛规则允许范围)加照片工具

2.制作过程：

(1)在有预留卡口的水管上端将铁丝卡在小口中，圆心中预留好适当的长度，然后在水管外圈绕成圆形。单圈的沿水管绕一圈，双圈的则绕二圈，然后剪去多争的铁丝。

(因比赛标准的铁丝只能是20cm，所以我们自带的辅助工具(塑料圆管)的直径不能超过 3cm

(2)打磨陀螺支点，用砂纸或锉刀将陀螺支点打磨至光滑。

(3)降低重心，将作好的陀螺放至桌面，尽量将外圈下压，将质量均匀分布靠近底部。

(4)调整平衡，轻压陀螺不同位置，确保支点与重心重合，避免倾斜(这一步是决定陀螺旋转时间的关键)。

(5)制作完成后，下面我们分别来记录2个陀螺各自的旋转时间(每次旋转完毕需要将陀螺的平衡重新调节一次)

3.实验数据

以下是我制作的单圈和双圈两种不同的铁丝陀螺，通过每种陀螺的四次检测纪录对比：

表2：单圈和双圈旋转时间对比

(由于比赛时制作时间有限制，跟测试结果成绩会有较大出入。)

4.实验发现：

通过这次的测试，我得出结论是：单圈陀螺的优点是制作过程比较简单，但是在比赛时要想将陀螺转得快，需要用力转动陀螺，但是手在用力时会使圆环变形，使得将调整好的平衡破坏，大大降低陀螺的稳定性，而无法提高比赛成绩。

虽然双圈陀螺比较坚硬，用力旋转时也更不易变形，但制作时间较单圈更长，调节平衡支点时难度会增加不少。所以如果参加比赛的同学更需要通过创新方法，耐心细致，不断寻找，尝试创新，找到更适合自己的制作方法。

三、最优方案

经过长期的实践与制作，我认为制作旋转更久的铁丝陀螺需要做到以下几点：

1.核心原理——平滑的支点，低重心

为什么铁丝陀螺会转？铁丝陀螺能稳定旋转的关键是支点的低重心和旋转的对称性。

2.持久秘诀——陀螺对称的旋转

大部分的铁圈集中于外圈底部，使得整个系统的重心非常低，低重心的陀螺在旋转时就像不倒翁一样，旋转赋予它保持方向的角动量，两者结合实现动态的稳定。

陀螺的各个部位围绕中心支点的均匀分布，确保旋转时离心力的平衡，不会因受力不均而晃动既刻停摆。