2013年2月10日

科學玩具-運動學-煙圈空氣砲


空氣砲這一款玩具在之前就已經介紹過了,像是科學玩具─運動學─哆啦A夢的空氣砲,各個研習場合中也有一些講師拿著紙箱及煙霧產生器在示範這一類型的科學遊戲,甚至連水桶、垃圾筒都是媒材之一。以前自己也有做一個紙箱,縫隙用膠帶封住,割劃出一個圓形開口,裡面裝著線香所燻滿的煙霧,就是最簡單的空氣砲了。

而使用煙霧的效果,目的是要讓現場的參與者都能看到它的神奇效果。然而,不像比較大咖或投入經費甚多的研習講師,會在演示這個科學實驗時,拿出煙霧產生器及煙霧油來製造人工霧氣,增加視覺效果。一般的課室中,教師不用這樣做就能達到這個任務,也可以擁有同樣的效果。

以前曾經參考過「趣味理科實驗&工藝」這本書,製作了一款裡面有介紹的寶瓶迷你空氣槍,屬於可以拿在手上的單人操控型武器。既然是寶特瓶,當然是利用它的瓶身當作累積煙霧的地方,瓶身可長可短,自由度很大。如同下面照片的兩款,左右巧妙各有不同。
長筒與短筒,就如同褲子一樣,基本功能差不多,都可以叫做空氣砲
但填充煙霧的方式則是大異其趣

裁剪好需要的瓶身之後,就依個人的喜好選擇不同的填充煙霧方式囉!如果選擇的是短筒,那麼最簡單的方式就是將線香由瓶口伸進去。若想做長筒的,就可以在瓶身側邊挖一個可以容納軟木塞大小的孔。沒錯!這就是它有別於其他空氣砲的地方,也是創意的發想。
如同上面所述,挖一個適合的洞既可以了
但是講歸講,在側邊上挖個漂亮的圓孔還真的得花不少功夫

此外,在軟木塞上也要挖一個小洞,不用太大,只要讓折短的線香能站立在上面即可。如果洞挖得太大,那麼線香站在軟木塞上就會顯得搖搖欲墜,可能打沒幾發就掉下來了。
線香裝上去時,需要剪裁出適合的長度,避免太長而觸碰到寶特瓶瓶身
如果沒有點燃就沒關係,但若是點燃了,可是會破壞瓶身的

像這樣是比較適合的線香長度,既不會太高(長)使得較熱的熱煙霧聚集在上方
也不會太低(短)而使得線香需要頻頻更換

除了寶特瓶、紙箱以外,也可以選擇容易裁切的寶麗龍飲料杯,但缺點是材質容易碎裂,不易長久保存。飲料喝完之後,別急著將封口膜撕掉,反而需要用膠帶將封口膜被吸管戳裂處黏合。接下來同樣使用吸管將保麗龍杯的底部戳出洞來,其實做到這個步驟,空氣砲就完成了,如果想要做漂亮一點,以後喝飲料時,戳杯底喝就可以了。

當然,若是塑膠杯呢?如果你有銲槍,這就不是件難事!不過封口膜不像氣球膜那般有彈性,所以適合的操作方法不是向後拉再放開,而是直接用指頭輕彈就可以囉!

因為瓶中的空氣被膜的振動所推擠,膜附近的空氣分子因而被賦予朝瓶口運動的動量(也就是向外)。當空氣分子向外運動的時候,也會推動擋在它前面的其他分子,像是煙霧粒子等等。如果沒有被擋住,當然就直接向外衝,所以內部的各種分子是有機會被推著動的。這裡以牛頓第二運動定律來解釋會比較恰當,而不適合用空氣波的狀況來解釋,因為煙霧是會移動的,而且有加速度。
之所以會產生甜甜圈一般的煙霧,其實是因為各部分空氣流速不一致所造成的。在流體力學中有個很重要的概念就是白努力定理,當流體流經較狹隘的途徑(出口)時,會有比較快的流速。流體中心部份的確是如此,但與瓶身接觸的地方就不是這麼單純了,因為還要將流體最外層的部分與容器間的摩擦力考慮在內。中心流速較快,外側流速較慢,所以所觀察到的情形就是:由中心向外側翻轉的甜甜圈狀煙霧,邊移動邊翻轉。

我小時候常常看到父親在吞雲吐霧的樣子,所以對於這種現象算是從小耳濡目染,很早就開始被迫「研究」菸的現象和味道。但我不抽菸,這是對自己職業的基本尊重,尊重自己也尊重身邊的人,尤其是在學生面前的身教更是重要。我相信,會在校園內、辦公室抽菸的老師,是不會意識到如何尊重他人的。

沒有留言:

張貼留言