2013年2月20日

生活科學-力學-驚鹿


科學玩具裡面有一項技巧的應用是有關於重心的,如果物體的重心高於支點的話,就會很容易失去平衡、傾倒,原因在於重心若不在支點的鉛垂線上,就會形成力矩而造成物體轉動,像平衡鳥之類的玩具就是利用這樣的原理。不過平衡鳥會自動回復到原本的平衡狀態,但這卻是在質量不發生變化的情況下。現在要介紹的這一種,要回復平衡狀態可就得改變質量和分布狀況哦!
花蓮某個沒有幾千元住不到一晚的高價位渡假園區(價格不理想)其中一景
裡面的湖中造景所牽涉到的科學原理頗為有趣

其實這種東西叫做「驚鹿」,又稱為「添水」,也看過日本翻譯的科普書上稱為「趕鹿」,原本的作用為計時工具,是在日式庭園流水造景中經常出現的竹筒製水器。利用槓桿原理運動的它,每隔一段時間就會因為水量增加而改變重心位置,造成力矩不平衡而轉動,然後開口端落下時敲擊石頭,發出清脆的聲響,可以用來觀賞,也可以當作是禪意的表現。
不過這一套純觀賞用的造景是不會發出聲音的,因為底下沒有石頭可以敲
而且水柱之強勁也和潺潺流水沒有禪意上的連結

和竹筒不一樣的地方是它的造型,圓錐模樣的容器就像冰淇淋的甜筒無法獨立,所以必須要靠額外的輔助才能直立。在兩旁的轉軸起了很大的作用,而且位置也很巧妙,大約是在離開口端五分之二的地方。
一開始裝水的時候,是不容易搖晃傾斜的,因為這時候的重心在轉軸下方
所以即使稍微有點偏移,都會自行扶正

由於水柱衝擊力道頗大,所以筒內的水體是不穩定的,形成的力矩有一部分會來自於水的衝擊力,但只要水面沒有高於轉軸都還算穩定。不過要是水面超過界限,代誌就大條了,但會不會一洩千里呢?倒是不至於啦!因為讓它倒的是水,讓它直立起來的也是水。
當水量增加,使得重心高於轉軸時,便會在水柱持續衝擊下開始劇烈搖晃
不過將水倒出的同時,水柱也同時在衝擊筒身外側,提供一個相反方向的力矩

待水的衝擊力把筒身逐漸扶正之後,又持續注水進去
減少搖晃程度之後又繼續進行下一個循環

除了住宿以外,可以免費搭乘專業駕駛的遊園船繞園區一周,看看更高價位房型的外牆,還可以使用閱覽室、兒童遊憩區,然而要使用其他大部分的設施是要另外付費的,所以這裡雖然服務迅速,隨時都有交通車可以搭乘,不過在我心目中的CP值仍舊是小於1的。
左邊這一張是難得照到都還在注水的狀態,只是前方那一個綠色圓錐即將倒下來
右邊照片可以觀察到紅色圓錐的最大傾斜角,所以水是無法完全倒光的

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