机械传动中的光影万花筒

小时候的我很喜欢玩万花筒，它带给我无尽的遐想和喜悦。长大后我却发现，市场上的万花筒与小时候的区别不大，缺乏新意。

在万华镜科学馆，我见到了让人惊艳的万花筒作品：有的将声音与光结合，有的把力学的曲柄摇杆结构与光结合，有的融入了环保理念……这给了我很大的启发：能否把齿轮传动等力学知识与光学知识结合，做一款富有新意的万花筒？

图1 作者观察万花筒

通过无数次的试验，我制作了带有传动装置的万花筒。在其观察端，有一个纵向传动轮装置和横向传动轮装置，一个三角形的观察口和防尘盖。在其标的物端，有一个亚克力的转箱与横向传动轮装置连接，转箱内是各种可爱的、颜色丰富的标的物。

万花筒的外部用木片制成，涂上了我喜欢的颜色。木片结构箱体内是由亚克力有机玻璃组成的三棱镜，是万花筒成像的主体。通过手动操作传动轮装置，牵引万花筒的标的物箱体转动，让标的物的变化带动成像的内容变化，就能让万花筒的成像变幻多端。

这个万花筒利用了哪些原理？

一、机械传动部分

转动摇柄，主动轮转动，通过皮带传动，从动轮1、2、3 依次转动，最终带动标的物转盘转动。主动轮与从动轮1 之间的速比（角速度之比）是2 ∶1，主动轮转两圈，从动轮1 转一圈，转动速度减慢。从动轮1 与从动轮2 同在一个轴上，速比一样。从动轮2 与从动轮3 的速比是1.5 ∶1，转动速度减慢，从动轮3 与标的物转盘同轴，转动速度一样。

为什么设计这套传动装置？主动轮与从动轮大小一样不行吗？

这是因为转动摇柄时，速度相对较快，如果主动轮与从动轮同样大，标的物转盘转动会很快，人在观察时会眼花缭乱，易产生眩晕感，而且标的物也会很模糊。如果标的物转盘速度通过主动轮与从动轮之间的速比关系下降，观看效果更佳。

图2 光影万花筒的结构

二、万花筒主体成像部分

传统万花筒一般按等边三角形摆放三片镜片形成三棱镜，成像为完全对称式。我设计的万花筒没有采用常规角度，而是用顶角为锐角的等腰三角形摆放镜片，每组完整的成像效果都是“一带三”，既漂亮又有特点。

万花筒成像一般通过平面镜成像和光在棱镜中的多次反射实现。平面镜采用玻璃材质，成像清晰，画质好，但出于安全考虑，我用亚克力板代替玻璃，既能保证光在传播过程中发生全反射，又能最大程度降低能量损耗，让成像效果更好。

三、万花筒支架

通过附加配重降低万花筒的重心，让其保持平衡。

图3 为万花筒配重

图4 光影万花筒成像与传统万花筒成像大不同

总之，我设计的机械传动光影万花筒具有结构简单、安全美观、玩法新颖、成像多样、制作成本低等特点。当然，机械传动中的光影万花筒还有很多可以改进的空间，比如传动装置的稳定性等，未来我将不断学习相关知识和技术，让这个能培养儿童思维和观察能力的益智玩具变得更有活力。

小时候的我很喜欢玩万花筒，它带给我无尽的遐想和喜悦。长大后我却发现，市场上的万花筒与小时候的区别不大，缺乏新意。在万华镜科学馆，我见到了让人惊艳的万花筒作品：有的将声音与光结合，有的把力学的曲柄摇杆结构与光结合，有的融入了环保理念……这给了我很大的启发：能否把齿轮传动等力学知识与光学知识结合，做一款富有新意的万花筒？图1 作者观察万花筒通过无数次的试验，我制作了带有传动装置的万花筒。在其观察端，有一个纵向传动轮装置和横向传动轮装置，一个三角形的观察口和防尘盖。在其标的物端，有一个亚克力的转箱与横向传动轮装置连接，转箱内是各种可爱的、颜色丰富的标的物。万花筒的外部用木片制成，涂上了我喜欢的颜色。木片结构箱体内是由亚克力有机玻璃组成的三棱镜，是万花筒成像的主体。通过手动操作传动轮装置，牵引万花筒的标的物箱体转动，让标的物的变化带动成像的内容变化，就能让万花筒的成像变幻多端。这个万花筒利用了哪些原理？一、机械传动部分转动摇柄，主动轮转动，通过皮带传动，从动轮1、2、3 依次转动，最终带动标的物转盘转动。主动轮与从动轮1 之间的速比（角速度之比）是2 ∶1，主动轮转两圈，从动轮1 转一圈，转动速度减慢。从动轮1 与从动轮2 同在一个轴上，速比一样。从动轮2 与从动轮3 的速比是1.5 ∶1，转动速度减慢，从动轮3 与标的物转盘同轴，转动速度一样。为什么设计这套传动装置？主动轮与从动轮大小一样不行吗？这是因为转动摇柄时，速度相对较快，如果主动轮与从动轮同样大，标的物转盘转动会很快，人在观察时会眼花缭乱，易产生眩晕感，而且标的物也会很模糊。如果标的物转盘速度通过主动轮与从动轮之间的速比关系下降，观看效果更佳。图2 光影万花筒的结构二、万花筒主体成像部分传统万花筒一般按等边三角形摆放三片镜片形成三棱镜，成像为完全对称式。我设计的万花筒没有采用常规角度，而是用顶角为锐角的等腰三角形摆放镜片，每组完整的成像效果都是“一带三”，既漂亮又有特点。万花筒成像一般通过平面镜成像和光在棱镜中的多次反射实现。平面镜采用玻璃材质，成像清晰，画质好，但出于安全考虑，我用亚克力板代替玻璃，既能保证光在传播过程中发生全反射，又能最大程度降低能量损耗，让成像效果更好。三、万花筒支架通过附加配重降低万花筒的重心，让其保持平衡。图3 为万花筒配重图4 光影万花筒成像与传统万花筒成像大不同总之，我设计的机械传动光影万花筒具有结构简单、安全美观、玩法新颖、成像多样、制作成本低等特点。当然，机械传动中的光影万花筒还有很多可以改进的空间，比如传动装置的稳定性等，未来我将不断学习相关知识和技术，让这个能培养儿童思维和观察能力的益智玩具变得更有活力。

文章来源：《机械传动》 网址: http://www.jxcdzz.cn/qikandaodu/2021/0205/334.html