2013年2月12日

生活科學-力學-水傘


善化有間啤酒廠位於台一線省道旁,是每年一年級校外教學的必去景點,廠內為了將販售的產品多元化,便成立了販賣部門,除了酒類就是食物,所以裡面的東西對於不沾酒的我來說,是沒什麼吸引力啦,頂多看著學生人手一支香腸。

在販賣部和食堂外的造景多與啤酒有關,附近有金屬螺帽機器人、啤酒桶造型的Beer Bar,還有一小塊供遊客休憩的中式庭園。其中,我比較有興趣的不是池塘中的鴛鴦野雁,而是噴水裝置所形成的水傘(難道這是理化老師的宿命嗎?)。
這就是水傘,只不過因為噴水口故意製作成傾斜的,所以水傘是歪的
可以看出的是,噴水的高度和強度對於水傘的形狀是有影響的

水因為表面張力與氫鍵的作用,使得它有很多特殊的性質,也造成在不同情況下的不同影響和變化。當水流流出(或噴出)出水口之後便會形成片狀。這種片狀水膜因為是朝四面八方擴散出去,所以越往外圍會越薄,而且落下時所受到的重力造成的影響就是讓邊緣破裂。
當水流噴出時,水傘要張得暨大又漂亮,出口流速就很重要

也就是當水所形的片狀薄膜越來越薄,且落下速度變大時,表面張力就會將它吸拉成表面積較小的水珠。如果又有外在因素的介入,水傘的形狀就會變得不穩定,就好像舞者的群擺一樣,躍動得變化萬千。
表面張力就像水面上的一張橡皮膜,會將水拉成表面積最小的形狀
在水傘下,真的不會淋到水嗎?

若加上外力,水傘就容易破裂,例如左圖中就有受到風勢的影響
當壓力漸減時,就會像右圖中有收傘的情形出現

讓我們跳接一下,將場景拉回到室內,但可別誤以為這是善化啤酒廠飲食區的內部哦!有水上鋼琴演奏、池中燈光幻景,更有專人服務,一定不是有賣烤香腸的地方,這其實是台北某連鎖飯店的一樓,專門給客人享用早餐和下午茶的餐廳。
室內的水傘形狀和室外的是有一點點不同
出水口的流速沒有那麼快,所以看起來就像是一顆顆水上的蘋果

室內因為沒有風勢的影響,對於各個方向的影響因素可以視為是相同的,因此所形成的水傘形狀也是對稱的,落水時也會形成一個漂亮的水圈。只要調整好出水的角度,想要什麼樣的拋物線形狀幾乎都可以做到。但是千萬別想作出矩形,因為同時考慮到水平方向和垂直方向的速度加成效應,就知道不太可能,除非水平方向的運動能瞬間消失。
底下是燈光直接投射所形成的色光變化,目前很多街邊造景也喜歡披上光的外衣

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