科學遊戲－流體力學－水中煙圈（窮人的空氣砲）

原文發表於Yahoo奇摩部落格2012年10月20日。

大部分的科學遊戲書籍都會提到空氣砲這個活動，而且會加入煙霧讓人看清楚流體運動時的旋轉方向與行進軌跡。有時候還會加入一些不同的變化，像是開口的數量、形狀以及排列等等，藉以提出符合POE流程的問題。

產生煙霧的方法有多種選擇，可以使用物理性的煙霧產生器，也可以使用化學性的線香燃燒，但煙霧產生器需要使用到機器和煙霧油，以高頻率振盪來使液態煙霧油霧化，而線香燃燒的煙霧太濃時，味道會令人感到不舒服。我不吸菸，校內也禁菸，所以不能像癮君子一樣吞雲吐霧製造環狀的煙圈。

國外專門在販售教具及演示的Spangler表演過垃圾筒大小的空氣砲，而發展出無敵鐵金剛及鋼彈系列的日本人喜歡搞更巨大的怪獸，所以製造出10公尺大小的空氣砲，證明出來空氣及煙霧的擾流才是使蠟燭熄滅的主要原因。而且從開口處噴出的煙圈會呈現漩渦狀，邊前進邊由內緣向外緣持續翻轉，任何一種紙箱空氣砲或寶特瓶空氣砲所產生的煙圈都同為中空環狀，並不會因為開口的形狀而有不同。

那麼在一般教室裡面有沒有便宜又簡單可行的替代方案呢？有的！當初在科學創意社群中分享這個實驗（相關文章：科學論壇－990131四面八方齊聚一堂）時，本來想作為科展題材的，結果才隔了不到一年就有其他學校的科展作品出現了，真令人扼腕！

曾秋雲老師的相機好搶鏡啊

材料只需要一杯靜止的透明水體、食用色素及滴管即可，如果沒有食用色素的話，使用墨水或其他有顏色的顏料稀釋也可以。將原本澄清的水靜置一段時間，以避免水體的流動破壞了色素落下的鉛直運動。

加入食用色素染色，用意是方便觀察外來水滴的運動。用滴管汲取染色過的墨水，滴入杯內澄清而靜止的水體中，在多數情況下，可以觀察到從適當高度滴落下來的墨滴會形成很像甜甜圈的環狀，邊向下移動還越翻轉越大，這叫做渦環（Vortex Ring），我稱之為水中煙圈（窮人的空氣砲），在N版的科學遊戲專輯中有出現過。

這是因為當墨滴從空中滴落，於墨滴的外緣剛接觸靜止水體時，外圍受到了較大的牽制力量，也就是被靜止水體的分子所黏滯住，就好像以相同速度運動的物體，外緣部分受到了阻力而變慢，但物體中間的運動速度仍然和原先相同，內外的速度差異產生了流體壓力上的變化，這也就是水中煙圈形成的簡略解釋。

而進入水中之後的運動可以用白努力原理來解釋，就像空氣砲產生的漩渦狀煙圈一樣。透過快速地由內向外不斷的循環，被牽引進去墨滴內部的水，會使得圓環中心部份越來越清，而環的範圍則是越來越大。

可以嘗試不同密度的阻尼（例如密度較大的食鹽水、果汁等），觀察墨滴在不同溶液中的沉降速度和擴散程度，當然也可以在墨滴上動手腳。此外，從不同高度掉下來的墨滴在液體中的運動方式也稍有不同，或是在不同溫度下的擴散速率等等，都是研究參考的變因之一。