机械传动中的光影万花筒

■山东省济宁市兖州区第一中学

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。