學校活動

 

攻城機械之拋石機

 

學生在虛擬的電腦遊戲中認識到中世紀的攻城機械 (Siege Engines)。

整個活動的設計目的,是想學生親手複製眼前的機械結構,從而體驗一下想像與現實中的差距。

由於活動設計是開放式的,學生已於事前明白其設計可能不成功。

活動分成兩部分,首先讓學生搜尋資料並製作小型模型,以了解其運作原理。然後從模型製作中學到的概念,將之立體化。

完成年份:2006年

 

S.T.E.A.M. 的元素

 

S.T.E.A.M. 的劃分只是一個方便分科落實的教學形式,下表的範圍僅供參考。

 

科學方法
影像記錄,蒐集及篩選圖片,建立模型

以筷子製作模型,從中驗証攻城機械的原理

從生活中找到合適材料製作攻城機械模型

使用簡單的工具及材料

NIL
槓桿原理

 


 

攻城機械的種類

 

攻城機械 (Siege Engines) 在中世紀戰爭擔當了十分重要的角色。

攻城機械有很多種類:射石器 (ballista)、投石機 (mangonel/ Onager) 和拋石機 (trebuchet)。

在使用火藥大砲前,它們全都是活躍於中世紀戰爭的攻城機械。

 

 

攻城機械:彈射器

 

彈射器 (catapult),是一件能將物體投擲出一段距離的機械。

因此,彈射器可以是一條橡皮筋,又或者是能將飛機從航空母艦中發射起飛的「彈射器指加速器」。

而射石器 (Greekballista)、投石機 (Mangonel/ RomanOnager) 和拋石機 (trebuchet) 就是其中三種普遍的彈射器。

 

攻城機械:射石機

 

射石機 (Greekballista) 就是最早期的彈射器之一。

射石機使用了從扭動繩索的扭力來產生破壞力。這股突然釋放的力量能發射岩石、箭頭甚至火球。

 

 

攻城機械:投石機

 

投石機 (Mangonel/ Onager) 也是彈射器的一種,Mangonel 的本意為「戰爭機械」。

投石機的破壞力是來自扭緊的繩索,但是此射石機只有一條臂。扭緊的繩索在水平上拉扯,臂膀垂直插入繩索之中。

瞄準器亦安置在上。軍用射石機沒有弩炮及投石器般複雜,只是部分破壞力浪費在發射時臂膀撞擊在機身上。

事實上 RomanOnager 就是 Mangonel。Onager 本身解釋為一種野生驢仔。

羅馬士兵喚 Mangonel 作 Onager 的原因是當 Onager 發射時會將部分由臂膀產生的破壞力會浪費在撞擊機身上,情況就像驢仔的動作。

 

 

攻城機械:拋石機

 

拋石機 (Trebuchets) 的 Trebuchets 其實是法文,意為「墜下」。

拋石機其實分為兩種,一是負重懸掛於臂末,另一種是負重緊固在臂末。

拋石機的結構,是一條很長的木條搭在支點上;運作原理是以第一類槓桿系統。

拋石機與投石器及投石機不同之處,在於拋石機不是從繩索的扭力中獲得力量。

基本上拋石機的結構以一端配置重量,以地心吸力去投擲物體。

 


 

活動前的預備工作及目的

 

學生對攻城機械的知識有限,故活動前須著學生在網上找尋一些相關資料及可能的結構。

學生要根據網上流傳的投石機原理及模型製造一部桌上投石機模型。

並根據桌上投石機模型,找出最佳化投石機的結構比例並測試其準確度。

最後,學生可根據有關的經驗,製作約半身高投石機模型並測試其準確度。(視乎情況而深入研究的目的)

 

學生需要決定的項目

 

學生要選擇及決定投石機類型及所使用到的物料。

學生要列出所有可能影響實驗的參數及可量度的參數作為實驗結果。如:風向、風速

學生為了減少量度的主觀或個別差異。

每項研究只有被研究的參數為可變,其他儘量保持一致。如:使用同一的炮彈等

學生需設計各式表格以方便實驗進行時的記錄。

 

學生需要準備的項目

 

學生需決定要使用的儀器用品及數目。如:尺、鋸等

學生需決定材料清單,分工購買表及製定活動預算。

學生需列出是否需要特別的器材。如:相機

 

學生需要注意的事項

 

學生需根據桌上拋石機的各種表現,選出最佳結構比例,並驗證其準確度。

本活動並無標準,故需設定準確性為可量度的參數。如:以呼拉圈作目標範圍

學生需隨時寫下或拍下需要用到的材料尺寸。讓實驗可以被人重覆,以確立實驗的可信性。

 


 

製作桌上拋石機模型:第一組

 

利用網上收集到的資料,實踐製作一部桌上拋石機模型。

 

成員資料

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學生:陳家駿、姚化德、李百倫

材料及工具

 

投石臂

木筷子及湯匙

底座

木筷子及防火板

重物

9V 電池

黏合

膠紙、釘、繩、熱溶膠

工具

熱溶膠槍、隔熱板、電線鉗、膠紙、手鑽、鎚、電尺、針線、剪刀、刀

 

步驟

 

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用木筷子及熱溶膠黏合製作如下圖的基板及投石臂

 

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以膠湯匙作為投物盛載器,加固在投石臂的末端

 

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以 9V 電池作成重物,並以模型鑽穿木筷子並以鐵絲作為中軸

將以上各組件如圖所示組成為一部桌上拋石機模型

 


 

製作桌上拋石機模型:第二組

 

利用網上收集到的資料,實踐製作一部桌上拋石機模型。

 

成員資料

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學生:劉志健、文家偉、劉浩庭

材料及工具

 

投石臂

木筷子及湯匙

底座

木筷子及防火板

投物索

麻繩

重物

9 V 電池

黏合

膠紙、釘、繩、熱溶膠

盛載

絨布、8 字勾曲別針

工具

熱溶膠槍、隔熱板、電線鉗、膠紙、手鑽、鎚、電尺、針線、剪刀、刀

 

步驟

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用木筷子及熱溶膠黏合製作如下圖的基板

用木筷子及熱溶膠黏合製作餘下的骨架結構

用木筷子製作長為 29.5CM 的投石臂

 

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以絨布栽出H形狀,並以針線縫成投物盛載器

 

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在絨布的末端加上一個8字形小勾

 

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以六粒 9V 電池作成重物

 

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在投石臂末端以夾夾緊以曲別針屈曲成的小勾

 

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以模型鑽穿木筷子並以傢俱釘作為中軸

將以上各組件如圖所示組成為一部桌上拋石機模型

 


 

實踐製作一部大型的拋石機模型:第一組

 

利用製作桌上拋石機模型所得之經驗及數據,製作一部大型的投石機模型。

 

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材料及工具

 

投石臂

竹(269cm)、木椅子、G夾、膠紙

中軸

PVC膠管(84cm)、鐵枝

投物索

麻繩

重物

膠桶、啞鈴(14lb)、磚頭(3kg)

投物

排球

盛載

膠兜、鐵線

工具

4件大G夾、4張椅子、7塊磚頭、電鑽、電線鉗、刀、剪刀、電線膠布、線鋸,拉尺、剪鉗、虎鉗、針筆、膠紙。

 

步驟

 

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清洗竹的表面並在每 25cm 長度上以電線膠紙繞圈貼上。

 

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以 4 張椅子作為支架,有需要時以磚頭加高支架,並以 G夾加以堅固結構。

 

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以膠桶盛載啞鈴和三塊磚頭作為重量。

 

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將麻繩將竹和鐵棒縳緊,並以線鋸鋸出 2 枝 42cm 長的 PVC 膠管,並套上鐵枝作為中軸。

 

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以排球作為投物,並以鐵絲屈成投物盛載器;這樣就完成了投石機。

 

活動花絮

 

影片:製作大型拋石機原型

 

活動中的建議

 

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在活動中,我們發現很容易可以把鐵絲屈成投物盛載器;然而它卻不耐用。

我們最終使用了「膠水兜」作投物盛載器,成果比較好。

 

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 在活動中,我們也發現竹枝受不了重量,於支點裂開了

因此,實驗不得不終止了

 

活動後同學的結論

 

原來製作一部拋石機是很困難的,要認真思考及細心計算。

和人合作時,我們更發覺原來每個人都會有美中不足,所以應該要去團結,不應該各自為政,我行我素,才是成功之道。

而我們根據在網上收集到的資料,的確可以製作出一部投石機,並且能成功擊中目標。

我們也從拋石機中,瞭解到槓桿原理的運作。

 


 

製作拋石機:第二組

 

利用製作桌上拋石機模型所得之經驗及數據,製作一部大型的投石機模型。

 

材料及工具

 

投石臂

竹(269cm)、木椅子、G夾、膠紙

中軸

PVC膠管(84cm)、鐵枝

投物索

麻繩

重物

磚頭(3kg)

投物

排球

盛載

紅白藍膠袋、垃圾膠袋

工具

4件大G夾、4張椅子、7塊磚頭、電鑽、電線鉗、刀、剪刀、電線膠布、線鋸,拉尺、剪鉗、虎鉗、針筆、膠紙。

 

步驟

 

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清洗竹的表面並在均等的長度上以電線膠紙繞圈貼上。

以4張椅子作為支架,有需要時以磚頭加高支架,並以G夾加以堅固結構。

 

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以膠盆盛載磚頭作為重量

 

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以線鋸鋸出 2 枝 43cm 長的 PVC 膠管,並套上鐵枝作為中軸。

以手球作為投物。以鐵線屈曲成8字勾。剪好垃圾膠袋作投物盛載器。

 

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將竹連接投物盛載器的末端鑽孔,將鐵線放進孔內並向前壓,

使鐵線變成L形,並以麻繩紮實。簡易版投石機就完成啦!

 

影片:建造大型拋石機

 

活動後同學的結論

 

原來製作一部拋石機是很困難的,要認真思考及細心計算。

只是活動中我們用以盛載重量的膠盆碎裂,因此以紅白藍膠袋代替。

而我們根據在網上收集到的資料,的確可以製作出一部投石機,射程超過十米,並且能成功擊中目標。

我們也從拋石機中,瞭解到槓桿原理的運作。

 

風險評估

 

製作能活動的大型的攻城機械,會有著結構不穩固而倒塌的危險。

長的竹桿在使用時亦可能不小心弄到別人...

由於模型中的炮彈為排球,其實殺傷力有限;主要原因是炮彈拋出的投物線活動不是很快速;而且,所謂重物亦不是金屬,因此,整體殺傷力比靠人力發動的「羅馬炮塔」低出很多...

就算是模型倒塌,亦會有相當的時間察覺。

 

 

參考資料

 

凡事都可行.但不都有益處。凡事都可行.但不都造就人。無論何人、不要求自己的益處、乃要求別人的益處。 【哥林多前書10:23-24】

 

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