圖片：迴力車內部常見的拉伸彈簧(虎克彈簧)的設計與游絲彈簧的設計。
作者：嚴融怡
小朋友常常在玩的迴力車當中常見的兩種彈簧裝置設計，一種是使用線狀彈簧(又稱為螺旋彈簧helical spring)當中的拉伸彈簧(有少部分的人稱呼它為虎克彈簧，這是因為虎克最初談論施力與伸長量之間呈現正向關係的虎克定律正是使用這種彈簧)，以齒輪的一側拉動拉伸彈簧來累積運動能量，之後當彈簧恢復原來的形狀時，即可給予車子前進的動力。另一種則是使用游絲彈簧(Balance spring)，常見的形態是將游絲彈簧設置在其中一個齒輪之上，當另一個齒輪牽動這個齒輪時，也同時造成游絲彈簧受到拉扯的形狀改變，藉著游絲彈簧在恢復原來形狀的彈性作用，就可以轉動齒輪，然後帶動整部車子前進的動力。
圖片：迴力車在砂紙和光滑珍珠板的跑速測試。
最近在教導國小五年級的小朋友有關『力與運動』課程當中所談到的虎克定律以及彈簧的應用時，也同時介紹了彈簧在古代鐘錶以及晚近運用在迴力車的彈簧設計。迴力車是小朋友最喜歡玩的玩具之一，在了解迴力車的動力原理之後，也可以同時測試迴力車在不同摩擦力路面上的跑動情形。這樣可以更為加深對於彈簧運用概念上的記憶。
說起游絲彈簧，這曾經是十七世紀物理學家羅伯特虎克(Robert Hooke)與惠更斯(Christiaan Huygens)所曾經引發專利論戰甚至還造成打官司的彈簧形式。游絲彈簧大致上是1660年代發明的產物，據說虎克在17歲的時候就已經在學校上課時設計出了帶有彈簧的精密手錶，而以當時的鐘錶概念，應該即有可能便是較為原始的游絲彈簧。而惠更斯則是在《擺式時鐘或用於時鐘上的擺的運動的幾何證明》、《擺鐘論》等論文當中提出鐘擺擺動周期的公式，將伽利略所研究的單擺原理更進一步朝向計時器的方向進行。並於1656年設計製造出了應用擺取代重力齒輪的擺鐘。但是後來惠更斯在協助法國財政大臣柯爾貝爾(Jean-Baptiste Colbert)設計船隻海上航行與進出港口使用的航海鐘時發現擺鐘難以克服外力搖動干擾(如強風或是波浪等擾動)的問題。因此後來研發出了游絲彈簧，並於1675年2月25日，在他的信件當中發表了他的第一個游絲彈簧。虎克和惠更斯其實無論誰發明了游絲彈簧，對於彈簧的整體設計應用都有著卓越的貢獻。
圖片：1675年2月25日惠更斯所發表的游絲彈簧
游絲彈簧的彈力作用就像可讓單擺來回振盪的地心吸力一樣，當擺輪被盪向一方時，藉著游絲彈簧所提供的的彈力作用，它可以把擺輪再拉回來，然後又再盪回去，就這樣週而復始地帶動擺輪，而擺輪又可帶動鐘錶其他的齒輪等結構。而且更重要的是，彈簧的反覆振盪並不像單擺那樣容易受到周圍外力晃動的影響，從而達成了航海鐘所需要的精密計時條件。惠更斯當時解決了法國港口的航班表問題，從而讓柯爾貝爾對他非常激賞。並且繼續資助他其他的研究。不過針對這一系列的機械鐘表計時原理，其實還牽涉到擒縱器等其他結構。
雖然虎克對彈簧的實際應用與力學上的陳述具有相當大的貢獻，虎克本身也有在改良彈簧。有些文獻直接寫虎克發明了彈簧。但是各類彈簧的最初發明者應該不是虎克。因為據說彈簧在15世紀初就已經出現在門鎖的設計上。1676年，虎克完成他的虎克定律，並指出彈簧在彈性限度的範圍內施加的力與其伸長量成正比。不過此後彈簧還有很多後續的重要演進，甚至也有非線性彈簧這類的彈簧的研發。
圖片：使用了發條彈簧的旋轉音樂盒。
除了迴力車，其實小朋友所喜歡的旋轉音樂盒也採用了彈簧。當中主要使用的是和游絲彈簧造型有些相似的發條彈簧(Mainspring)，也有的發條彈簧內部有裝置游絲彈簧。發條彈簧出現在15世紀歐洲的第一個彈簧動力鐘。它取代了纏繞在滑輪上的繩索重量，這是過去很多機械鐘錶中所使用的動力源。現存由發條驅動的著名最古老時鐘是Burgunderuhr(勃艮第時鐘，Burgundy Clock)。對於現今市售的音樂盒而言，通常發條起動之後便會帶動齒輪，齒輪又帶動音梳片去敲擊滾筒。通常滾筒上會有特定設計的顆粒，當音梳片敲擊上去時，就會帶動音樂的發出了。
彈簧其實自古代以來，還真的是和我們生活息息相關的物件。很多時候它們只是隱藏在我們的生活週遭，讓我們沒有感覺罷了。
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