土木一 蔡佳穎
本學期土木概念設計課程的主題為鋼珠軌道，前半學期製作2D軌道、下半學期製作3D軌道。除了設計、組裝軌道之外，寫程式也是重要的一部份，我們需要配合所規劃的軌道路線，自行推導幾道物理公式，並將這個公式轉換成python碼，使其能夠計算鋼珠跑到不同位置時的速度、經過時間，並推測鋼珠於軌道上的運行週期等等。
在各小組獨立完成具挑戰性的期末成果前，教授先安排製作2D平面軌道的課程給我們先練習，讓大家能更順利地完成最後的作品。2D軌道的製作目標是運用有限的材料，讓小鋼珠在軌道上來回運行越久越好，因此軌道的形狀、曲度、最高點與最低點的高度差、對稱性等會影響運行時間長短的條件，是各組需要思考、測試、比較的項目。我們組所設計的平面軌道是以擺線的形狀作為基礎，擺線（Cycloid）的定義為：一個圓在一條直線上滾動時，圓邊界上的一定點所形成的軌跡。選擇擺線的原因是一位組員認為它似乎是能夠保留最多動能的曲線，意即比起其他曲線，化作熱能或提供摩擦力做功等等因素而消散的位能較少，轉化為動能的位能較多，對於延長鋼珠的滾動時間有益。以下是當時我們組設計的平面軌道照片。
製作軌道的材料有主要用以支撐的黃銅條、構成軌道面的紅銅條、連接各部件的焊錫。由於需使用金屬製成軌道，我們學會熔錫焊錫的技能，第一次使用焊槍的經驗讓人印象很深刻，於銅條的連接處抹油後，用加熱好的焊槍沾取柔軟的焊錫，再以焊槍觸碰連接處兩端的銅條，待融化於兩銅條之交接點的錫於常溫下凝固，焊接的作業便大功告成。然而偶爾還是會碰上小麻煩，像是錫黏在焊槍上無法落在銅條、有些相接處的角度難以操作、不小心力道太大使焊接處脫落而需要一焊再焊……焊接實在是一項考驗耐性的任務。
結束2D平面軌道的課程後，便進入本學期土實最重要的主題－3D軌道製作。這項作業相當耗時，無論是在哪個環節－軌道本體製作、寫程式、自控升降機等等，都需要一而再再而三地反覆測試、找到更好的方法。使用的材料除了和2D軌道相同的黃銅條及紅銅條，還有為了支撐較大規模軌道的矩形木條、木板底座、連接木頭與銅條的紅銅片、建構升降機的樂高與操控它的電路板等。
整座立體軌道的製作目標與需要達到的條件有：
一、鋼珠從頭到尾穩定地跑完全程不脫軌，並將時長控制在10到12秒之間。
二、最高點不得與底座相距75公分以上。
三、軌道造型越刺激、鋼珠於軌道運行時的最大速度越高越好。
首先，設計軌道路線和造型、擬定木棒支撐的位置是第一個步驟。我們組以世界名著《小王子》的故事做發想，將故事中的角色或經典情節以形狀表達在軌道上，例如水平圓軌道加上銅環作為星球、將蛇吞象的輪廓套用在高低起伏處、最底層的軌道是狐狸頭部的外形等，接著考量通過不同形狀的軌道所需的加速度之差異後，編排各個部份的軌道順序，像是進入鉛直面的圓形軌道前需特別多的速度才能通過最高點，因此必須在它前面銜接一段高低落差大的直線
狐狸外形軌道照
擬定設計圖後，即可開始實作。製作3D軌道時要處理的小麻煩除了焊接之外，還有在木板上釘木棒、在木棒上釘銅片，以提供焊接黃銅條的空間將木棒與銅條連接、朝各種方向彎曲銅條至適宜的角度……軌道上幾乎每個部位都被我們反覆調整不下十次，有時因為碰撞而脫落、有時因為鋼珠容易脫軌而重做、有時因為速度不夠而頻頻修正傾角，繁瑣費時又燒腦的過程曾使我和組員們數度瀕臨放棄邊緣，腦袋裡的惡魔不斷誘惑著自己離開泡了好幾個小時的土研、別再浪費時間在不可能達成的工作上。幸好最終我們還是咬牙堅持下來，認命地面對軌道上一些總愛讓鋼珠切線飛走的地方，一再地嘗試尋找能讓軌道面最穩的角度。經歷不曉得多少天的精神折磨、多少假日的犧牲奉獻，軌道本體總算完成得差不多了。
無奈的是，建造好3D軌道後，還有兩項更傷腦筋的作業－寫預測程式與搭建升降機。Python程式的部分助教已經幫忙寫好大半，只有一些小地方需要各組根據各自的物理公式推導轉換成可供電腦計算的語言，輸入完畢後程式便會跑出幾張它預測出的結果圖，可以跟實際的數據做對照，以判斷程式準不準確。話雖如此，寫出能預測出貼近現實狀況的式子並不容易，一些變數像是空氣阻力係數、銅和鋼珠之間的摩擦係數都無法得知，必須嘗試輸入不同數字後，觀察哪個數值預測出的曲線最接近真實數據的曲線圖，才能稍微確定。立體空間中的合力判斷已有些複雜，需考量重力、摩擦力、空氣阻力、軌道正向力、轉動慣量、滑動等各種條件，統整好計算力與速度的公式後，還要套入程式碼並進行修正，是件不比蓋軌道簡單的苦差事。
下圖為我們組寫的程式預測的結果(Simulation)及助教提供的實際結果(Experiment)之對照圖，有頗大的落差，尤其在週期(時間-t(s))的部分，許多組別預測得準確很多。
下圖為於程式輸入我們組軌道上的78個點座標後，執行出的軌道俯瞰圖。
最後的難關是自動控制升降機。用各式型態的樂高拼裝成能讓鋼珠自軌道底端上升到軌道最高點的機器後，再連接電路板並以馬達操控升降機的運作。組裝樂高很有趣，但要做出具備運輸功能的簡易機械就有些燒腦。有些組別拼出非常有創意又運作順利的旋轉機械手臂，有些是混合式－有履帶也有機械手臂，而我們這組的升降機主體是履帶，透過履帶型樂高將鋼珠緩緩送上軌道高點。原本我們以為這應該是個可以短時間完成的項目，只要拼好穩固的基底再裝上長長的履帶就能大功告成，但實際上遠比我們預想的複雜。重新調整軌道的頭尾位置使其對齊、加裝連接升降機和軌道小基地、找到履帶上放置鋼珠的卡楯所適合的角度和長度，太長或太短都無法讓鋼珠順利地爬上履帶。和前幾項工作一樣，卡關之處常常是一些意想不到的細節，偏偏這一個個小地方總是左右著結果的好壞。下圖為我們組的自控升降機：
雖然實作的課程往往令人疲憊，心底亦時常產生不知所措的無助感，不過出社會後必須經歷的小組合作、溝通協調，是一般純粹的學術課無法教會我們的。這門課的意義並非由考卷上的分數定義，而是在於整個學期的每個過程－每個為了解決問題的嘗試、為了達成共識的溝通、為了克服限制的創意、為了抓住轉機的堅持。萬分感謝我的好組員Tracy & Cathy四個月來的互相指教、不嫌棄笨笨的我，還有黃尹男教授發人深省的指教和叮嚀，教授和助教們都辛苦了！
相信每位參與土實的同學都能有所收穫，無論是學術上，或心理上。