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玻璃史特林引擎
周鑑恆
水火箭、浮沈偶都是國內科學教育活 動中經常舉辦的項目，前者演示牛頓第二 運動定律，後者說明物體所受浮力和物體 體積的關係。由於這兩項活動寓教於樂的 效果非常好，現場氣氛熱烈，參與者興緻 高昂，十分受到歡迎。然而，更新的類似 科教項目，卻似乎不常添加，實為美中不 足之處。史特林引擎製作是一項非常有趣 的熱學教材，其趣味性和豐富內容，可 美水火箭、浮沈偶，必更能豐富國內科普 教育的內容。 前幾年還曾流行過以吸管或報紙保護 雞蛋，比賽雞蛋由樓上墜下時，何者不破 。乍見之下，這項涉及多項力學原理的競 賽，似乎有些突兀，還有糟踏食物之嫌。 其實不然，其背後有嚴肅的目的。美國太 空總署花費天文數字的經費進行的火星探 測，考慮火星重力較小，長程宇航後各項 裝備的可靠性，最後關鍵的著陸多以減速 墜落的方式完成。墜落雞蛋的實驗，顯然 有突破專家盲點，向年輕學生尋求創意的 深遠用心。自製史特林引擎亦復如此，國 際上史特林引擎之研發方興未艾，創作改 良正有極大的發展空間，自製史特林引擎 不僅是熱學的科普教材，更向年輕學生提 出一項前程似錦的科研題目，學生不僅吸 收新知，日後更有可能會回饋有極具價值 的創意。 本 文 介 紹 的 史 特 林 引 擎 ， 經 作 者 改 良，很容易製作成功。只組合小玻璃試管、 木材、和吉他的鋼弦就能自製一具；用到 最精密的工具也不過是高中工藝教室裏就 能找到的小型車床。所需的材料如下：
1.直徑約 0.35 mm（0.016 號）的吉他鋼弦一 根（樂器行有售，挑一根完全沒有生銹 的）； 2.外徑 5.8 mm，內徑約 0.4 mm 的玻璃毛細管 一支（學校實驗室應該找得到，以能容納 吉他鋼弦從中穿過為原則）； 3.直徑 0.6 mm 的玻璃纖維桿一支（釣具店有 售，日本進口的最好，價錢合理）； 4.直徑約 1.5 cm 的鋁棒（在台北市太原路可 貨比三家）； 5.內徑約 18.6mm 的玻璃試管一支（化學實驗 室或玻璃儀器行都一定有玻璃試管和玻璃 管，價格約二、三十元台幣）； 6.外徑約 17.8 mm 的玻璃試管一支（要能置 於內徑18.6 mm 的玻璃試管中滑動）； 7.內徑 10 mm、8 mm、1.2 mm 的玻璃管各一 支； 8.直徑 1.0 mm 的鋼棒二根（鋼棒可向賣鑽 頭的廠商買，事實上就是尚未車製出螺紋 的鑽頭，鋼棒用作轉軸，內徑1.2 mm 的玻 璃管用作軸承，當然，同樣粗細的碳纖維科學教育月刊 第267 期 中華民國九十三年四月 - 56 - 桿也可作為轉軸）； 9.木條和木板（B&Q 特立屋貨色齊全）； 10.內徑 2.2 mm，外徑約 3.5 mm，長約 20 cm 的橡皮管；製作試管塞子的PE 棒一根（台 北市太原路塑膠材料行內均可見）； 11.製作飛輪的珍珠板和銅片。 用 到 的 工 具 包 括 有 ： 小 型 車 床 和 鑽 床、鑽石輪鋸（五金工具行有售，售價僅 台幣數百元）；美工刀、砂紙；AB 膠等。
製作過程：
封底圖 A 為本引擎的全貌，以 95 度藥 用酒精為燃料。 用鑽石輪鋸，將外徑 1.2 cm，內徑 1.0 cm 玻璃圓管，鋸成約 6 cm 長，作為汽缸。 並且使用小型車床，將直徑約 1.5 cm 的鋁 棒，車成恰可在汽缸中滑動的活塞，活塞 長約 2.6 cm。用鑽頭將此活塞中心掏出一 個直徑約 0.6 cm 的圓穴，使此活塞成為圓 杯狀，並在杯底鑽一小孔，塞入直徑 0.6 mm 的玻璃纖維桿，用 AB 膠黏合，此玻璃纖維 桿再與白楊木製成的動力連桿黏合。以 PE 棒製成的塞子塞住汽缸底部，PE 棒軸心鑽 一個直徑 3.5 mm 的孔，此孔恰容外徑約 3.5 mm 的橡皮管塞入，使橡皮管可連通汽缸（見 封底圖 B）。 其次，將外徑 17.8 mm 玻璃試管的長 度裁短成 6 cm，並將管口以 PE 棒車成的塞 子塞住，此塞子中心鑽一小孔，塞入吉他 鋼弦，吉他鋼弦牽動這個較小試管作成的 移氣胴體；內徑約 18.6 mm 的較大玻璃試 管作為溫差氣室，將較小試管置於其中， 大試管管口也用 PE 棒製成的塞子塞住，此 塞子一端塞住大試管管口，另一端較細， 直徑略小於 8 mm，塞子軸心鑽一恰容玻璃 毛細管（內徑 0.4 mm，外徑 5.8 mm）的孔， 將玻璃毛細管塞入，塞子較細一端再套上 一截內徑 8 mm 的玻璃管（長約 3.8 cm）。 塞子另外鑽一恰容外徑 3.5 mm 的橡皮管塞 入的小孔。牽動小試管的吉他鋼弦由玻璃 毛細管穿出，並以 AB 膠與白楊木製的移氣 連桿（長 15 cm）牢牢黏好，小試管被移氣 連桿牽動，在大試管中至少要能夠往復移 動 14 mm。白楊木連桿與吉他鋼弦連接處彫 刻成一金針菇形的膨大結構，金針菇形的 膨大結構於往復運動時均在內徑 8 mm 的玻 璃管中，以確保吉他鋼弦順利伸入內徑 0.4 mm 玻璃毛細管（見封底圖 C）。 如封底圖 D 所示，內徑 1.2 mm，鋸成 4 cm 長的玻璃管作為軸承，直徑 1 mm 的鋼 棒恰可於其中輕易轉動，作為轉軸。鋼棒 轉軸一端裝有白楊木製的動力曲柄，動力 曲柄上設有另一根較短的（直徑也是 1 mm） 鋼棒，作為動力曲軸。動力曲軸和轉軸的 垂直距離約 5 mm；鋼棒轉軸另一端裝有飛 輪，飛輪用珍珠板製成，飛輪黏在鋼棒轉 軸上由 PE 棒製成的圓盤，飛輪外緣黏上銅 片增加其轉動慣量（rotational inertia） 。PE 棒製成的圓盤也當作移氣曲柄，移氣 曲柄上設有另一根較短的（直徑也是 1 mm） 鋼棒，作為移氣曲軸。移氣曲軸和轉軸的 垂直距離約 6.5 mm。轉軸、移氣曲軸、動 力 曲 軸 雖 不 在 同 一 直 線 上 ， 但 應 力 求 平 行；轉軸到移氣曲軸的垂直連線垂直轉軸玻璃史特林引擎 - 57 - 到動力曲軸的垂直連線（ 註 ） 。 組裝時，鏤空一木質支架，支架上方 鑽一孔，孔中插入玻璃軸承，鋼棒轉軸、 飛輪、曲柄、曲軸均安裝妥當，這個軸承 支架先固定在木質底座上，軸承距木質底 座的高度約 7.5 cm。另外再用木條製作氣 室支架，用 AB 膠將試管製成的溫差氣室直 接黏在支架上，具有膨大結構之移氣連桿 另一端的小孔先套在移氣曲軸上，用手撥 動轉軸，調整氣室支架位置，使較小試管 製成的移氣胴體在溫差氣室中被牽動而往 復運動時，不會撞到較大試管的底部，也 不會撞到試管管口的塞子，由此確定這氣 室支架的位置之後，將其用 AB 膠黏在底座 上。汽缸則固定於另一支架上（参見封底 圖 A），活塞置於其中，動力連桿一端的小 孔套在動力曲軸上，試著轉動轉軸，看看 活塞往復運動時不會撞到汽缸底部或超出 汽缸管口，再用 AB 膠固定此支架在木質底 座。最後用外徑 3.5 mm 的橡皮管連通汽缸 和温差氣室，引擎即告完成。
