2013年2月28日

科學玩具-流體力學-玩具背後的問題(上)


有時候在網拍上尋尋覓覓的時候,會看到一些玩具的出清,曾經有挖到寶過,買到地面漂浮版的飛碟,但是準備把賣家存貨清光時(下訂了10個,都已經結標並確認數量),卻被只寄來6個的賣家擺了一道,原因是過年期間把這些被訂走的貨品送給自己親戚的小孩玩,換成是我對其他共同購買但卻無法拿到貨品的夥伴過意不去。所以網拍購物不是沒有問題的,而是要建立在買賣雙方的誠信上,更是要小心確認這種非面對面的溝通。

另外一個風險是無法立即得知商品的功能性是否與自己想像中的相同,至少不要差太遠,不過在無涯的網海中搜尋幾年下來的經驗,只能讓自己更加謹慎,但有時候還是會買到一些讓自己傻眼的東西,照片中的物品雖然都是精緻美觀的,但是有些物品是年紀太大加上保存狀況不佳,有些是寄送過程中因為包裹碰撞擠壓而出現瑕疵,但有少部分卻是買賣雙方都不知道的問題。
買來的時候包裝尚未拆封,內容物也都是完整無缺的
保存狀況算是蠻好的,而且也沒有不當的擠壓

這個隱藏版的問題就是商品的設計,設計能吸引人不見得代表功能也能臻至完美。有的玩具為了突顯商標或代言的人物,會在玩具上加上代言玩偶,增加消費者看到商標或代言的機會,也不時地收到廣告的效益,不過不見得能相得益彰,像底下的滑翔機就是設計影響功能的最佳例證。
兩張貼紙貼在塑膠製的滑翔翼上,裝飾性大於實質意義
藍色的板子上有兩個突起點,是用來固定玩偶的

當實際組裝好之後,整個放在手中的感覺是沉重的,而重量大部分來自於這位身著黃衣紅線條的叔叔,所以當這位叔叔揹著滑翔翼的時候,重心是整個移轉到它的身上。不過問題來了,由於藍色板子無法移動,所以玩偶裝上去的時候也無法調整重心的前後位置,也就是說「就這樣!不用再做其他調整了」,頂多只是轉轉頭,搖搖手臂而已。
頭戴安全帽的叔叔振臂高呼,雙腳仍張開維持一貫的廣角,準備飛向空中翱翔
殊不知下一步卻是災難的開始……

拿在手上丟出去的那一霎那,滑翔翼起初在空中劃出一道完美的弧線,然後呢?急遽下墜!試了幾次都沒有辦法改善。好吧,開始改變操縱變因並控制其他變因,至少要能飛過客廳或飄一陣子。調整投擲力量的大小,沒有用;改變出手的角度,看不出變化;玩偶反向裝上去,嘗試微調重心位置,一如往常;最後乾脆讓過重的叔叔下來,減輕重量直接飛飛看,但不好施力。嘗試過好幾種方式來解決遇到的問題,但是並沒有顯著的差異,所以把它交給兒子玩玩看,看有沒有辦法玩出不一樣的結果,但滿身大汗的他回報回來的消息依舊……

這組滑翔翼就從此進入冷宮了,只剩下可以當作擺飾的玩偶在玩具箱中,等待哪一天有誰想到它的功用時再被挖掘出來。至於滑翔翼呢,塑膠片狀的物體保存不易,玩過也撞過幾次之後就開始會有或大或小的凹陷,狀況也越來越走下坡,只好將它放在回收箱中,無法起死回生。

科學玩具-熱學-會唱歌的鐵管


聲音是波動呈現的一種方式,我們可以發現能量可以透過介質而傳遞,帶有能量的聲音和物體振動有關,也就是空氣僅為傳遞路線中的一部分橋樑,透過這些橋樑我們才聽得見聲音。例如吹直笛的時候,管內空氣柱的振動使得管子發出聲音,停止吹氣時,聲音便消失,所以擾動是發生在不同長短的空氣柱上。如果我們捨棄了吹氣的方式,選擇其他方法讓管內有物質的進出與能量的流動,那麼同樣可以發出聲音嗎?
需要的材料有鐵管(口徑1.5吋、管壁1.3mm、長度0.5m)、粗鐵網及鐵網剪
不過管內還要焊接鐵條

這套聲音組件是從台東帶回來的,當時蔡振明老師在演示的時候還有段小小的失火插曲,所以使用上要特別注意,而且純粹由教師示範就好,不適合讓學生自行操作。除了主要的鐵管與鐵網之外,另外還需要加熱鐵網用的噴燈、隔熱的手套、降溫用的濕抹布以及安全防範用的小型滅火器。
內部焊有十字交叉的鐵條,用意是讓鐵網有固定的位置
使得鐵網塞進鐵管時不致陷入太深,而讓噴燈加熱不易

把一至二層鐵網塞到管內的十字交叉鐵條上,向管內推至距離管口大約7公分左右,固定後還要再測試穩定度,以免移動或加熱時不慎掉落。設計如此深度的理由是方便擺置鐵網,即使用手也能輕易完成,另外一個原因就是考量到加熱的便利性,噴燈的火焰長度雖然可以調整,但總不希望加熱的物體在管內太深的地方,而在太淺的地方則使得演示效果不佳。

一手以水平的方式拿著鐵管,另一隻手拿著噴燈對管內的鐵網加熱,約一分鐘後,讓鐵網呈現紅熱即可關閉噴燈,接著讓鐵管直立起來,就能聽到鐵管發出相當大的低沉聲響。當鐵管處於水平狀態時,聲響便停止;鐵管處於直立狀態時,聲響恢復。加熱一回,可以示範好幾次聲音的出現與消失。
握著鐵管的手務必穿帶隔熱手套,避免熱能經由金屬傳遞而燙傷
可以思考一下為什麼水平持管時不發聲,而直立鐵管時才由聲響出現呢?

為何加熱鐵網後的管子會發出聲音?相對的,冷的管子為什麼不會?肇因於鐵管一端的鐵網因噴燈的高溫火焰而持續被加熱,而溫度高的一端與溫度低的另一端出現了溫度差異,此時將管子豎立起來(有鐵網的一端在下方),會在管內形成上升氣流。熾熱鐵網附近的空氣受熱膨脹,運動到頂端管口時遇冷收縮,膨脹和收縮不停的交替出現,所以能持續地振動發聲。

此外,管中從鐵網附近到管口處的氣體因密度不同而產生對流,且空氣在管內形成駐波,如同笛子的發聲原理般。若將鐵管水平放置時並不會有聲音產生,這是因為管中的高熱氣體此時是從兩端開口逸出,無法形成駐波。

如果因為物體本身的構造而振動的話,必須要有維持振動的能源才能持續發聲。在這個示範活動中,需要維持鐵網與頂端出口之間的溫度差異,若差異減小,聲音便會逐漸減弱。

這個實驗需要小心燒燙傷或避免引起火災,因為鐵管不論是在噴燈加熱中或是離開火源後都處於高溫狀態,所以要準備濕抹布放在一邊,等實驗一結束之後立刻用它冷卻鐵管,而不要把高溫鐵管直接放在桌上。

班級記事-2012國際青少年發明競賽博覽會


咦?怎麼會有這面獎牌?跟我有關,也跟這一屆所帶的導師班學生有關,給了一個想法與點子,在相互折衝與火花激盪後,淬煉出這一塊貨真價實的銀牌,而故事的源頭則要從幾年前介聘到善化國中時說起……
三月份得到的2012國際青少年發明競賽博覽會中學組銀牌獎獎牌
給了三個學生一個表現自己的舞台與機會

由於獎牌僅有一塊,所以拍照後還是將它留在學校作為紀念
而且學生們比我更需要它

七年前,剛從高雄縣內門國中調到台南縣善化國中,從來沒有在台南長久生活的我得想辦法趕快融入新的環境,所以在初期常常就是騎著摩托車到處熟悉地形地物,最重要的是知道當地的資源在那裡,可以去哪邊找到我要的東西。同一時間裡,台南的科學園區也在擴建之中,所以也算是見證了一段科學園區的發展過程,也從只容許兩輛車會車、坑坑洞洞的黃土路面騎到現在不再彈跳的柏油路面。

不過騎車雖然機動性較強,還是會有覺得麻煩的事,就是遇到下雨天。穿雨衣不是問題,但是遇到行進中時,從雨衣上方各處匯集低處的雨水就會是個麻煩,雨勢大一點時,就會在低漥形成一個暫時侵蝕基準面。由於車速與身形的關係,這個臨時水庫通常會出現在彎曲的身體與緊靠的雙腿所處的直角上,等於是帶著一個容器在雨天騎車。

為了洩洪,我嘗試了幾個方式,像是騎車時每隔一段時間,雙腳就要離開腳踏板下垂懸空,讓雨水有個往低處流動的管道,不過這樣一來,要看前面又要注意儲存水位是否達到洩洪標準,車速就不能太快,而且姿勢會很奇怪。另外一種方式就是讓肩膀到膝關節之間的雨衣呈現緊繃的狀態,上半身與雙腿形成直角三角形的兩股,讓雨水順著斜面而下,這樣雖然完全不會累積,不過要保持緊繃的斜面還是需要技術的,而且從前方還有風壓著。

所以把想法給了學生後,三個臭皮匠和一個諸葛亮就開始了不斷嘗試的過程。有想法很簡單,天馬行空的或務實的方法都有待實作技術上的克服,更何況是國中學生,除非有很棒的資源可以支持想法的呈現,否則做出來的其實都是半成品,離實用階段還有一段路,學生們一直提想法,而我就一直找資源。
比賽會場中有來自台灣各地以及各個國家的參賽者,好幾百人的活動真的很盛大
開幕典禮也是很隆重的請到發明領域的專家學者來致詞

趁佈展之後的空白時間,也到處去看看其他國家的作品,吸收一點他人的經驗

最後做出來的成果其實與當初的想法有些許落差,但意思到了,也真的不會再有積水的問題,只是醜了點罷了。剩下的就是如何將作品表達出來,我幫忙了海報的製作與編排,也包辦電腦簡報的設計與呈現,至於臨場表現我可不擔心,即使評審以英文提出問題,團隊中的三個小朋友也都能對答如流,所以剩下的就是盡人事囉!
來自各國的評審團在經過時先對有興趣的作品提個簡單的問題,了解大概的內容
作為待會兒聽簡報與提問的準備

當簡報開始,與其說是一來一往的攻防,不如當作是五分鐘的行銷
把評審覺得有疑義或如何克服的問題點解釋清楚就行了

最後,主要召集人會邀集評審團討論,看看有沒有其他的意見或建議
有建議是希望作品可以再更好,如果沒有,就算是簡報完成了

其實我和學生們都沒想過要拿到多前面的名次,主要是給他們一個競賽的經驗,看看別人的長處再回過頭來想想自己的不足,透過參展的知識洪流來洗禮自己。畢竟國中的知識架構還在擴充的階段,技術還沒有到達精確的程度,看看高中職以上的作品更會讓人收穫滿滿。只是在這類比賽依然會看到大人代為操刀的作品,有些攤位海報格式統一,指導老師統一,參展學生也是自己的孩子,有些乾脆貼上專利證書來加分。

直到最後頒獎台宣佈我們的作品「充氣式雨衣」獲得國中組銀牌時,還真的有不可思議的感覺,獎牌是真的,只差沒咬一口。回到學校以後,當然要接受校方的公開表揚,其中一個學生事後在聯絡簿上寫著,這是他從小到大第一次站上司令台受獎,拿到獎牌、獎狀的那種感覺很棒。我相信這是他人生中的第一次,而且不會是最後一次,因為大人們留給他們的是貨真價實的參賽經驗。