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一「臂」之力有「懸」技（2021）、「形」之互動，隱「力」再「線」（2021）、防震未來式-懸浮技術的抗震（2022）中，指出多邊形的邊數越多，結構越穩定，可承載的重量也越高。防震未來式-懸浮技術的抗震（2022）中也指出正多邊形結構，邊數越多，外力分散的點越多越平均，因此結構更穩定。四邊形結構比三角形結構更穩定，能承載更大的重量。

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一「臂」之力有「懸」技（2021）、「形」之互動，隱「力」再「線」（2021）中提到，短繩懸吊位置越接近結構重心，結構越穩定，載重能力越好。短繩懸吊位置偏離重心越大，結構越不穩定，載重能力越差。破解反重力懸浮術-運用力的平衡對抗重力（2021）的研究中，進一步指出中心軸線的長短不影響結構的平衡。

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戴明鳳（2022）指出「張拉整體」是20世紀中期，由美國理查˙巴克敏斯特˙富勒（Richard Buckminster Fuller，1895-1983年）提出的一個特殊力學結構概念。在繩索的張力和物體的重力組合系統中，透過繩索張拉效應所產生的張拉力，將獨立的個體零件組成一個完整且穩定的立體結構，形成一個持續平衡的拉伸和壓縮的連續狀態，此即稱為「張拉共構體」或「張拉整體」結構。簡單來說，「張拉整體」利用繩線拉力和張力，將各自獨立的物體組合起來，可以看似穩穩地懸浮在空中，而且不容易受重力影響而倒塌的有趣結構。

就本次科展研究的張拉整體來說，是一個「互」字型的張拉整體裝置，上下兩個獨立的受力構件，透過繩子的連接，利用繩子的拉力和張力使裝置能平衡，「互」字形結構也能載重。

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本研究探討「張拉整體」結構的載重能力，主要關

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本研究探討「張拉整體」結構的載重能力，主要關注其結構面形狀、材質、中心軸繩與邊繩的材質、粗細、長度、數量及連接位置對載重能力的影響。我們選擇了不同形狀的結構面，並以木板與壓克力製作，進行載重測試。結果顯示，正五邊形與正六邊形的載重能力較佳，且壓克力材質比木板表現更優異。此外，釣魚線作為軸繩與邊繩時，載重能力明顯提升，但在組裝與調整上較困難。軸繩的長度、數量對結構影響顯著，4cm長度與3條軸繩組合效果最佳。邊繩連接於頂點時載重能力較佳，但增加邊繩數量並未顯著提升載重效果。本研究最終設計出載重能力最佳且易於調整的張拉整體結構，並提供可應用於課堂教學的教具設計，以促進學生對張拉整體力學概念的理解與探索。

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一開始開會討論科展主題時，我們先腦力激盪，在點子牆上貼上想到的主題，再進行分析與分類，之後就各自的喜好的主題進行報告準備，夥伴們提出了不少意見，比如︰磁浮列車、炸藥、虎克輪、張拉整體、氫氣小火箭……等。經過夥伴報告與老師的導學及更多的分析討論，刪除具有危險性實驗的操作，我們挑選科研社社團課堂中不曾製作與操作，且看來酷炫的張拉整體裝置，因此我們決定朝張拉整體裝置這個方向來深入探討。

因為以往沒有張拉整體的使用經驗，所以夥伴們給出的意見也大不相同，因此很難決定探討內容，經過大家閱讀完老師給定的相關研究後，對於張拉整體這個裝置有進一步的了解，於是我們決定在這次科展研究中，挑戰一下自己的手作能力，探討張拉整體結構面形狀、張拉整體結構材質、張拉整體連接繩索的材質、數量、粗細、長度、連接位置(頂點與邊中點)與載重能力的關係。

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1. 確定科展主題

2. 確定研究方向

3. 時間安排

4. 工作分配

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https://kami.app/UqC-qbT-XQH-ZSe

word檔: https://docs.google.com/document/d/1TW7XuIp7Si5FNMBMnvatG5ff39Y9pJyT/edit?usp=drive_link&ouid=111874374557563333001&rtpof=true&sd=true

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AI針對說明書內容提問與解答

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AI針對說明書內容提問與解答

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臺東縣 113 學年度國民中小學科學展覽會實施計畫

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目的一：參考相關研究，製作出合適的張拉整體，並從文獻研究找出適合本次科展探討的變因。

目的二：探討張拉整體結構面形狀與載重能力的關係。

目的三：探討張拉整體結構材質與載重能力的關係。

目的四：探討張拉整體中心軸繩連接繩索的材質、數量、粗細、長度對載重的影響。

目的五：探討張拉整體邊繩的連接位置(頂點與邊中點)、材質、數量、粗細對載重的影響。

目的六：根據本次研究數據結果，製作出載重能力最佳之拉張整體。

# data[].attributes.body
Create a digital illustration of a tensegrity structure in the shape of the Chinese character '互'. The structure should be made of transparent or brightly colored acrylic-like material, with visible tension cables holding the top platform in place. On the top platform, illustrate a small, detailed school building with a traditional or modern architectural style. The perspective should highlight the floating effect of the top platform while maintaining structural clarity. Use a clean, high-tech, and slightly futuristic aesthetic.

# data[].attributes.wish_content.attachment_props.alternative_text
Minimalist line art of a tensegrity structure shaped like the Chinese character '互'. The structure is made of simple, clean lines, with visible suspension ropes holding the top platform. On the top platform, there is a basic outline of a school building. The style is modern, geometric, and technical, suitable for a logo.

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「形」之互動，隱「力」再「線」（2021）、破解反重力懸浮術-運用力的平衡對抗重力（2021）中指出中心軸線必須綁在下層底座的中心位置（重心所在），才能維持結構平衡。

# data[].attributes.body
「形」之互動，隱「力」再「線」（2021）、破解反重力懸浮術-運用力的平衡對抗重力（2021）、防震未來式-懸浮技術的抗震（2022）中提到，至少需要 2條 邊繩才能維持結構平衡。且邊繩數量越多，結構越穩定，可承載重量也越高。

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一「臂」之力有「懸」技（2021）、「形」之互動，隱「力」再「線」（2021）中，提到繩子的剛性越強，載重量越大。防震未來式-懸浮技術的抗震（2022）中也指出釣魚線比棉線更適合做為張拉整體的連接繩子。

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一「臂」之力有「懸」技（2021），提到懸臂數量是雙臂時，可以抵消單臂結構上的不對稱弱點，有利於載重量提升。

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參考均一教育平台的槓桿原理、力矩與轉動的影片及113學年六年級下學期的自然課本，可知繞著固定點或是轉軸旋轉的裝置稱為槓桿裝置，國小校園中常見的翹翹板也是槓桿裝置。翹翹板是繞著支點旋轉的裝置，支點兩側分別有施力與抗力，施力是嘗試轉動槓桿的力，而抗力是槓桿上阻止轉動所施的力。其中施力、抗力的作用線到支點位置的垂直距離稱為力臂，而施力的力臂稱為施力臂，抗力的力臂稱為抗力臂。

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力矩是指讓物體轉動的物理量，而力矩的大小和力與力臂有關，
。簡單來說，力矩就像是一種“轉動的力量”。當你想要轉動一個東西，比如門或輪子時，你需要用力去推或拉。這個力量和你施力的方式會影響轉動的效果。例如當你推門的邊緣（離門絞鍊遠）時，門會很容易打開。如果你在門的中間（離門絞鍊近）推，門就不容易打開了。

# data[].attributes.body
靜力平衡是指當物體受到多個力的作用時，仍然保持靜止的狀況，不移動也不轉動，也就是合力和合力矩同時為0。而槓桿原理就是描述槓桿在靜力平衡下（翹翹板呈現水平狀態），其所受順時鐘方向的力矩與逆時鐘方向的力矩大小相等， 。

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用 Beam Studio繪製雷射切割圖，再 用雷射切割機，將設計好的張拉整體受力結構件切割出來，製作標準化與一致的組件，確保每次的張拉整體裝置保持相同。

利用電腦繪製張拉整體受力結構件，雷切圖繪製時，預先將軸繩連接孔位設計於整個結構的重心位置，減少組裝時尋找整體重心，保持平衡的時間花費。

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張拉整體裝置中邊繩張力的調整採直尺測量。我們認為當上下兩個受力構件的距離相同時，相同材質與粗細的邊繩張力將會一致，也能快速獲得相對穩定的張拉整體裝置。

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是以容器裝水的方式進行，由於液體水的形狀可以隨容器而變動，相對容易掌控承載重物的重心。其他研究指出，當張拉整體傾倒時，水溶液翻倒造成清理麻煩，所以將容器都加蓋，僅留漏斗的注水孔及洩氣小孔，以避免此狀況。

記錄未加水前的初始重量（容器重量）和張拉整體結構傾倒時的最大載重重量。

利用洗滌瓶和漏斗進行注水裝水的動作。洗滌瓶透過握持擠壓瓶身，可以緩慢穩定將水注入載重容器中，再輔以漏斗承接注水。除了可以觀察到載重重量更細微的變化，也可減少水在注入過程時的外溢、晃動產生的誤差。

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研究變因大概可以分成這幾個重點：1.結構高度的影響；2.形狀對結構的影響；3.連接繩索的影響。

經過討論，我們決定在前述研究成果中，製作出可以穩定平衡的張拉整體裝置，進行張拉整體的載重能力探討，針對張拉整體結構面的形狀、材質，連接受力構件的繩子材質、粗細、長短、連接位置……等變因進行實驗，探討這些變因與整體載重能力的關係。再以前述科展研究的實驗操作方式進行分析討論，決定用水來充當本次的重物，並且用有蓋的容器盛裝，避免張拉整體傾倒時水也隨著灑滿地。

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雷射切割：為了製作出更為標準化與一致的受力構件，有別於研究中拼接黏著方式，我們利用電腦進行雷射切割圖的繪製，透過雷射切割出這次科展實驗的所有受力構件，以期獲得更精準的受力構件，減少實驗裝置的誤差。

以正三角形的雷射切割圖為例進行說明。我們以直徑10公分的圓為基礎繪製正三角形、正方形、正五邊形、正六邊形。每個圖形邊長上間隔1 cm預留邊繩連接孔位。每個形狀的張拉整體懸臂皆10cm高，懸臂傾斜角度90˚，懸臂上也有軸繩連接孔位。組裝時，懸臂與結構面以插榫方式進行，其中也設計增高片，方便實驗操作時邊繩連接、調整，以及擺放重物的支撐。

由於研究中指出軸繩位置越接近重心，裝置越穩定，載重能力越好，所以雷切圖繪製時，預先將軸繩連接孔位設計於整個圖形結構的重心位置，減少組裝時尋找整體重心，保持平衡的時間花費。

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1. 將組好的張拉整體裝置放在電子秤上，張拉整體的上方再放置盛裝水的加蓋容器，記錄初始重量。

2. 利用洗滌瓶裝水，緩慢注入加蓋容器中，直至張拉整體裝置傾倒，測量重物總重（水+容器），記錄最後重量。

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從研究二的實驗中發現，結果和其他科展研究有些許差異。

3mm木板材質製成的張拉整體，載重能力較佳，與其他研究結果吻合，且也有邊數越多載重越佳的趨勢。

雖3mm壓克力材質的正五邊形張拉整體裝置有較佳的載重能力，不若其他研究所言，但壓克力材質的載重能力比木板好。

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從研究三的發現，軸繩材質、粗細、數量皆會影響張拉整體的載重能力。

1. 軸繩材質：釣魚線的載重能力高於棉繩，與其他科展研究結果吻合。

2. 軸繩粗細：軸繩粗細對於載重能力有影響，而其他研究多未針對中心軸繩粗細與載重能力的關係進行探討。

3. 軸繩數量：軸繩數量越多，載重能力越佳。其中一份研究也顯示，雙臂結構優於單臂結構。

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從研究四的實驗中，邊繩材質、粗細、連接位置、數量皆影響張拉整體的載重能力。

1. 邊繩材質：釣魚線的載重能力高於棉繩，與其他科展研究結果吻合。

2. 邊繩粗細：邊繩粗細對於載重能力有影響，而其他研究多未針對中心邊繩粗細與載重能力的關係進行探討。

3. 連接位置：邊繩連接結構頂點時有較佳在重力，而且有顯著差異。而其他研究未探討此變因與載重能力關係，僅提及邊繩與中心軸線等距時，載重量最高。

4. 邊繩數量：邊繩數量不同雖影響載重能力，但無明顯規律可循。而其他研究未探討此變因與載重能力關係

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張拉整體裝置的製作：

張拉整體受力構件︰實驗參考各相關研究與影片，考量實驗裝置的標準化，所以討論決議採用雷射切割方式，但資訊課沒有上繪製雷射切割圖的課程，所以商請指導老師協助繪製雷射切割圖。其中因為機器切割的公差，而且不同材質切割的公差也不同，使得插榫製作來回多次的重新調整繪製，最終才獲得我們想要的張拉整體受力構件。

張拉整體邊繩調整：一開始就想到釣魚用的咬鉛，在調整繩子張力時，在適合的位置直接夾住繩子，如果使用串珠的話，珠子都孔洞固定，不利後續探討繩子粗細的影響，所以不採用串珠。但組裝過程中，咬鉛在載重測試的時候容易脫離，所以我們最後選擇邊繩一端先打結再夾上咬鉛，另一端調整時和其他研究一樣採用長尾夾，此方式算是相當方便的。而且再重複實驗操作的裝置調整也算是省時。

張拉整體載重實驗︰

1. 人員操作誤差：實驗前邊繩張力的調整及實驗中裝置最大負重傾倒的判斷，可能因不同人員操作，而有數據差異，所以解決方法除了操作人員負責項目盡可能固定外，在操作時要維持相同動作。

2. 盛重容器的擺放：其他研究中指出最佳載重點於重心之上，所以如何擺放容器才能使之後容器中水的重心會與張拉整體的重心在同一條鉛錘線上，是個難題。我們想到在正方體容器底部，將對角線連接畫上直線記號，在擺放時將對角線交點盡可能對其軸繩位置，再輔以注入一公分高的水，觀察擺放後的水平狀態來微調擺放位置。

3. 張拉整體負重傾倒的判定：當裝置負重接近極限時會緩慢傾倒，需要操作人員仔細觀察實驗裝置，調整注水的量，因此使用洗滌瓶來注水，然而長時間擠壓洗滌瓶容易造成手掌不適，也許之後研究可以製作一個自動調速注水裝置。張拉整體的最大負重的判定，也許可以不用等裝置傾倒來判定，可以用更為定性的方式來判定，比如說可用裝修用雷射水平鉛錘儀器，定性當裝置偏離鉛錘線幾度後就算是傾倒。此方式也許可以讓一開始容器擺放位置更加一致。

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未來可探討、改進的方向︰

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未來可探討、改進的方向︰

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1. 本次研究張拉整體的上下受力構件形狀都是全等，未來可以組合不同形狀或大小來探討張拉整體的穩定性與載重能力。

2. 可用不同材料組合形成複合材料的受力構件，探討張拉整體的穩定性與載重能力。

3. 可加入更多儀器輔助，減少人為誤差，確保實驗的可重複性。

4. 可試著設計能自動調節繩子張力的張拉整體。

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一、調整前人研究的實驗設計，降低實驗裝置與人

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一、調整前人研究的實驗設計，降低實驗裝置與人員操作時容易產生的誤差。

二、張拉整體的受力構件材質、形狀，連接繩的材質、粗細、位置、數量皆會影響張拉整體的載重能力。最佳載重能力的張拉整體可參考以下配置：

1. 3mm壓克力正五邊形的結構面及懸臂10cm角度90˚。

2. 軸繩採25號釣魚線，數量3條。

3. 邊繩採25號釣魚線，數量一邊1條（連接頂點）。

三、嘗試設計繪製可於課堂教學中使用的張拉整體雷射切割圖，如研究五。回應學者於期刊中提出的教具設計上鮮少提供操作者可以自由思考和探索的空間與機會。

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一、葉芝琦、葉芝婷（2009）。多力拔河之力平衡點意義深入探究。第49屆全國中小學科展作品物理科。新北市樹林區文林國民小學。

二、朱慶琪、朱浦毅 (2016)。神奇平衡。中央大學科學教育中心。取自 http://phy.tw/%E7%A7%91%E5%AD%B8%E5%AF%A6%E9%A9%97/item/109-2016-06-19-14-49-30

三、莊銘淵、鄭竹恩、陳苡玄、張文澤（2021）。一「臂」之力有「懸」技。新竹市第39屆中小學科學展覽會。新竹市北區民富國民小學。

四、李冠廷、戴采薰、陳宥家、楊竣喆、吳曼綸（2021）。「形」之互動，隱「力」再「線」。中華民國第61屆中小學科學展覽會。新北市三重區正義國民小學新北市。

五、 高滕悦、胡起元、陳品萱（2021）。破解反重力懸浮術-運用力的平衡對抗重力。中華民國第61屆中小學科學展覽會。桃園市快樂國民小學。

六、陳奕穎、陳奕帆(2022)。防震未來式—懸浮技術的抗震。中華民國第62屆中小學科學展覽會。花蓮縣立國風國民中學。

七、邱彩瑄、余青諄、詹志凡、高嘉鄖、戴明鳳（2022）。張拉整體結構實作套件設計與操作—在科學教育推廣上的應用設計。臺灣網路科教館科學研習月刊，61-1。取自https://www.ntsec.edu.tw/liveSupply/detail.aspx?a=6829&cat=15571&p=1&lid=19219

八、戴明鳳（2022）。張拉整體結構的發展史與其應用。臺灣網路科教館科學研習月刊，61-1。取自https://www.ntsec.edu.tw/liveSupply/detail.aspx?a=6829&cat=6844&p=1&lid=19217

九、林佑恩、蔡聖穎、黃為嘉、黃秀晏（2024）。三線式張拉共構體穩定性研究。花蓮縣第64屆國民中小學科學展覽會。花蓮縣花蓮市中華國民小學。

十、小蝸撩創意 (2021年5月27日)。為什麼僅靠3根細線，就讓木頭懸浮起來?這不是魔術，這是科學[影片]。YouTube。取自 https://www.youtube.com/watch?v=eQuKOV6lBP0

十一、       均一教育平台 (無日期)。力矩與轉動[影片]。YouTube。取自 https://www.youtube.com/watch?v=MDRxeYa0hRA4

十二、       均一教育平台 (無日期)。槓桿原理[影片]。YouTube。取自 https://youtu.be/IYvmhe13zf8?si=io6dav7xnz7KP7ei

十三、       佑來了 (2019年11月12日)。【Fun 科學】反重力懸浮術(不靠超距力的誇張飄浮效果) [影片]。YouTube。取自 https://www.youtube.com/watch?v=xUC6a67mxLw

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AI針對說明書內容安排口頭報告架構與內容

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