科學玩具－力學－水中沙畫

每次去逛高雄市科學工藝博物館時，除了展場以外，總會去禮品販賣部看看有什麼新穎的玩意兒，可以帶回去給兩位小朋友增長見識，其實見識倒是不一定，但是見聞是可以增加的，平時多給一些刺激，也許以後在某個時候開始發芽也不一定，所以有實體的東西，只要不會太貴，我通常都會買回家。

其中有一個存在已久的水中沙漏，我最初的印象已經是30多年前的童年了，到現在還是很喜歡把玩，因為就跟沙漏一樣，可以使用翻轉的方式來讓玩興一直延續下去。裡面的沙子會因為排列的不同而有不同的圖案出現，所以在紋路上的相同性不會太高。

黑白對比出來的沙畫，就像是山與谷之間存在著路徑或河道

雖然是平面的東西，不過看起來非常像用光影技法的立體畫

裡面的沙子密度大，所以會在密度相對較小的水中下沉，而沉降的沙粒會在平台上累積，過多的、無法停留的沙粒就會從平台間的縫隙中滾落下去，層層疊疊，直到落到最底下由邊框擋住為止。基本上，這種擺飾品裡面至少有兩種顏色的沙子，形成對比，讓形狀、紋路慢慢堆積，也讓深淺的對比逐漸浮現。

翻轉時，不溶於水的沙粒會因為不同的角度、力道，或者是流體的運動而讓其掉落的次序和路徑每次都出現些微差異，使得每次出現的紋路堆積樣式稍有不同。沙粒會在彎曲的底板上開始累積，不過沙子的降落區侷限在某些特定的隙縫，使得隙縫下方的沙丘呈現出越來越高的態勢。

剛翻轉時，有些上浮的氣泡會影響沙粒的掉落，所以不是同時沉降

隨著氣泡找到縫隙逐漸上升，沙子也逐漸降落到底下的沙丘上

但是斜面是個省力的簡單機械，也就是說沙子向下堆砌成逐漸隆起的砂丘時，向下的重量會在斜面上形成與斜面垂直的正向力以及與斜面平行的下滑力，斜面的角度會改變這兩個力量的比例。一開始累積時的角度不會太大，所以正向力的比例比較大，平行於斜面的下滑力相對的比較小，所以沙丘增高的幅度大於增寬的幅度。

當然中央的隔板的形狀和彎曲度會影響沙丘的形成

但是裡面的氣泡也是不可忽略，右上角的堆積過程中連泡泡都被包覆在裡頭了

越大的角度（坡度越陡）會讓下滑的力量增加，使得沙子容易滾落。另外，沙粒的外形使得它容易移動（不論是滑動或滾動），這些因素都使得沙丘的傾斜角度受到限制。最終塵埃落定時，在中央的隔板上所形成的沙丘輪廓看起來都是大同小異。

背景的對話頗令人玩味

科學玩具－物性－油水系列滴漏

它不特別，所以容易吸引人的目光之後再被忽略；它沒有專長，但卻是一種老少咸宜的擺飾品；它的內心波折，稍有動盪便起伏不已。這類型的油水不互溶的擺飾品自我有記憶以來就出現了，它不只是擺飾，也被添加功能而形成了玩具，而它出沒的地點，卻是東西南北、從上到下，想不看見都很難。

油水Key，在殼外加個鑰匙圈就成了最簡單的隨身物

加上海生館當地的吉祥物或特色，便成了熱銷的紀念小物

油與水的壁壘分明，水的密度大，油的密度小，所以水在下方而油在上方。除此之外，極性的水和非極性的油彷彿兩個世界互不相干，各自在自己的領土當中安穩過日，哪怕有時天搖地動、翻雲覆雨，只要給它時間，誤入叢林的小白兔還是會回到自己親友的懷抱。

這種塑膠製品並不易碎，但卻怕摔

摔了之後萬一有裂縫讓氣體跑進去，那幾乎就可以宣告不治了

密度大者會有向下的趨勢，是因為在相同的體積中會有較多的同質粒子在裡面，因此質量也相對較多，這是巨觀的。至於微觀的部份就是單位體積內同質粒子的數量多，整體重量大，排列規則且較為緊密，粒子間距小，所以該物質的稠密程度相對較大。

比較新款的玩法像是用液體流動來帶動水中的小魚

因為兩側有不同的流動方向，所以有些小魚會向下，有些則被帶向上

它的包裝是密封住的塑膠殼，因為怕裡面的東西跑出來，發生了物理變化；它的內容物是體積難以壓縮但卻可變形的無色與染色液體，卻也怕不請自來的添加物，讓裡面發生了不可還原的化學變化。裡面非極性的油，是透明的，當有機會接觸到外來的氧氣時，氧化作用便會讓這些油品產生酸敗，發出的難聞氣味讓人避之唯恐不及。這不像破了的愛情溫度計，裡面的液體不會揮發，所以殘局沒有那麼容易收拾，通常丟了是比較快的處理方式，但卻很可惜。

也有將正方形區隔成五個空間的設計，魚就專心在中央浮著

兩側有不同顏色的水溶液陪襯，在出口處形成夠大的液滴後就會沉降下來

有種類型的油水滴漏設計成有色水滴從上而下一階階地向下滾動，一個接著一個地跟著，就像海底的龍蝦列車一樣，非常有趣。不過當一個顏色的水珠不夠看的時候，有些商品就會設計成兩組，並且以相反的運動軌跡相交錯。滾動中的水珠雖然賞心悅目，但若是讓不同顏色的水珠相遇，時間久了也是會融合在一起的，因此必須讓看起來在同一個空間內的雙色水珠被中央隔板區隔開來。不論如何反反覆覆的操作，沒有直接接觸的異色水珠的顏色始終如一。

單一種顏色的水珠不夠看，也些會呈現兩種水珠一起滴下來的效果

彼此的水珠不可以碰到並混合，因此需要將空間一分為二

但是在運行軌跡交錯的地帶，卻利用「借位」的手法玩起了光的魔術，產生第三種顏色。如果像下面的照片般讓紅色與藍色水珠交錯時，會看到第三種顏色－黑色，這個部分可以用國中程度的光學來解釋。當光欲從一側穿透過紅色水珠時，僅有紅光可以穿透，其他色光被阻擋並吸收，但是當剩餘的紅光接著要穿透下一道障礙時，卻沒有辦法順利通過藍色障礙物時，反而被吸收了。既然沒有任何一種顏色的光線可以穿透而進入人的眼睛，那我們所看到的水珠就會是黑色的。

雙色水珠交錯時，有部分的光會被吸收，交錯地帶的亮度明顯降低

而當水滴夠大時，在轉彎處明顯的有變形延伸的現象

如果是單一顏色水珠的設計，通常就是階梯軌道搭配滾輪

一側走階梯，另一側在掉落時撥動滾輪，增加動態的視覺效果

除了大顆有色水珠在透明液體中上下運動以外，還有一種是以前就介紹過的海底火山滴漏，裡面小小的有色微粒與旁邊透明液體間的流體運動機制顯然與一般的油水滴漏不同，因為它是有色小液滴向上，顯然是密度較小的緣故，相對的就是透明液體密度較大。但是有色小液滴並不會像油水滴漏裡的有色水珠容易由粒粒分明的小顆粒融合成大顆粒，而是粒粒分明，由此推測表面張力並不像水那麼不大。

兩旁的有色水珠容易融為一體，因為密度較大而沉降在底部

但中央是相反的，因為密度小而上浮，看起來就像是逆行的沙漏般令人著迷

除了有色水珠向下沉以及有色小液珠向上浮的動態演示以外，第三類就是幾乎不動的純粹擺飾品，像是壓克力筆筒周圍常常會填充藍色、紫色或橘紅色水體來當作海洋，裡面再放一些保麗龍球及企鵝、海豚之類的小動物浮在海洋上，上面再覆以透明液體讓小動物獲得浮力後不會東倒西歪。

筆筒外還搭配溫度計的設計，雖然不會因為裡面的偽海洋生物而變涼

紙鎮裡還有小海豹，讓我想起攀在孤立浮冰上的北極熊

像這種型態的擺飾品，如果只是純粹的裝飾就太可惜了，若能加上一些額外的功能，才會在人的心目中增添一點價值。以接下來的三張照片來看，海豚尾巴變為開瓶器、腹部及尾鰭合為手機座，都發揮了一加一大於二的效能，鮮豔的配色讓人有機會買回家之後，不論擺在任何地方都不小心都會看到它，如果有夜光功能就更棒了。

我覺得這組油水平衡桿是很不錯的設計，雖然美觀大於實用，還是給個讚

科學玩具－物性－果凍黏泥

曾經在海生館裡的館區出現過一種罐裝玩具，在每個密封的罐子裡面都有一隻生物，而且被膠封在透明果凍狀的黏泥裡面。它在某方面的意義上有點像考古挖掘的工作，只是並不是利用丁字鎬和毛刷將砂石掃除，而是在拆封的時候把黏泥挖開擺到一旁，將裡面的生物解放出來，就此獲得一個公仔。

在黏泥裡面的造型琳瑯滿目啊！

除了水生動物以外，也有中生代的恐龍和新生代的各類昆蟲

其實，這樣的玩具已經存在好一段時間了，而且最大的差異在於它的黏泥是做成透明的，買家可以在下手清除之前就知道裡面的玩具模樣，也能純粹買回來當擺飾，感覺就像果凍蠟燭中的花草佈置一樣。而且若黏泥不是單純的果凍狀，可以在分裂之後再次黏合，那麼它的用途就多了一些，因為可以擺放不同的東西進去儲藏，不過玩具製造商應該不會考慮給買家這種Bonus。

把昆蟲與恐龍包裝起來的是採用公母球殼

而黏泥刻意染成綠色，有些意在創造出叢林與綠野的感覺

當然若是海洋生物被包覆在裏頭，黏泥的顏色就以藍色較為恰當。這樣的感覺就好像彈力球裡的動物公仔，以顏色來區分它的屬性與生活環境。像手邊就有一個海豚的彈力球，裡面的造景除了一些浮冰外，球體本身就是透明的半球和另外半顆藍色的半球。所以從透明半球看過去時，就好像海豚徜徉在藍色的海水裡，有時間暫時靜止的感覺。

這是另一種罐裝黏泥，配色同樣是單色偏透明

不過它的成份與以PVA為主的史萊姆是不完全相同的

像以硼砂與膠水自製的水黏土或史萊姆這種交聯反應後的化學物質，在空氣中置放一段時間以後，由於水分的散失，仍免不了會乾涸，最後只剩下扁扁硬硬的殘餘物，通常是丟入垃圾筒。

這類牛奶瓶造型的罐裝黏泥，就看不見裡面的造型玩具，等於是在抽獎一樣

水、豆膠、甘油、色料、聚氯乙烯是它的主要成分

不過像黏泥罐中的黏泥似乎就沒有那麼容易乾了，從它的成份中除了染色用的色料以外，還有看到具有保濕性的甘油，甚至還加入了聚氯乙烯這種熱塑性聚合物來增加其韌性與彈性，似乎可以玩得比較久而且應該是可以回收的，不過如果保存不當的話，仍舊是會發霉的。

生活科學－物性－冰的形成與消熔

在各個辦公室內，幾乎都有一台小冰箱，讓需要低溫冷藏的食品可以延長保存時間，學生偶爾也會來借用，放一些當天烤肉要用的食材和飲料。如果是以前舊型式的單門小冰箱，裡面冷凍區和冷藏區是相鄰的，往往上面結霜的冰晶越來越大，厚厚的一層冰晶都把金屬製的拖盤包起來了。如果是雙門電冰箱，似乎這個問題就會比較小，除非溫度設定得太低。

把水結冰的時候，水的體積會膨脹，但是一般的水可不完全都是水，或多或少都會有一些意外的溶質在裡面，包括了不溶解的微粒、可溶解的電解質離子或是氣體等等。其中氣體的溶解度會隨著氣溫而升高，所以越是低溫，水裡面的大多數氣體應該是越脫離不了才是。

碗的邊緣有些許針狀的結晶，是由水面附近的氣態水分子凝固而成

當水氣凝固時會層層附著在上面，越長越寬大也越長越長

而結冰的過程是由與冷空氣或器壁接觸面開始發生，也就是從外圍向中央逐漸凝固。一旦表面固化了，未釋出的氣體就更難離開水體，也就是裡面來不及脫離的氣體會被冰凍在裡面，形成許多氣泡。小氣泡一多，冰塊就會變成白茫茫的。如果要製作透明的冰塊，首先要將水煮沸，讓原先溶解在裡頭的氣體有足夠的能量脫離，降低氣體溶解量之後再讓水凝固，就能製作出較為透明的冰塊。

這裡所使用的是沒有經過煮沸的自來水，所以有很多不速之客在裡面

由眾多氣體分子集結而成的氣泡來不及離開，就這樣被冰封在內

不過在水體溫度下降的過程中，或多或少還是會有周圍的氣體再次溶入，很難完全把氣體趕出去。製作的冰塊越大以及表面的冰蓋形成時，這些氣泡越容易集中在中央。專門製造透明冰塊的工廠所使用的方式就是把水箱放在凝固點遠低於攝氏零度的液體內，邊攪拌邊讓水慢慢地由四周向中央凝固，這樣的製程大概要一至兩天的時間，就可以形成周邊透明而中央雪白的大冰磚，再使用電鋸之類的機械，沿著方形大冰磚中央的白色氣泡區切割，被裁切下來的冰塊繼續做後續處理成需要的大小，最後再配送到客戶的冰櫃裡。

放在冷凍庫一段時間後，只來得及讓表層結冰，中央還是接近零度的水

把底面翻過來敲掉那層薄冰，就是一個透明的冰塊容器

一般冰箱的冷凍庫比較無法讓水慢慢的結凍，所以難以完全透明

之所以會形成白色霧茫茫的一片，是因為光線散射的緣故

冰是物質，而火是劇烈氧化反應發生的區域，在這區域內的物質分子與氧結合而轉化成另外一種性質截然不同的新分子，屬於不可逆的化學變化，然而冰的形成是由相同的水分子結合而成的固體，也就是由井然有序的液體分子排列變化成多方向性的冰晶固體，是種可逆的物理變化。冰與火都是自然界的現象之一，是否可以相提並論是需要先做辨同別異的。

我喜歡這一張無風狀態下的蠟燭圓潤火焰，明顯可以看出內焰與外焰的差異

冰塊應該不會喜歡火焰靠這麼近，冰與火只能二擇一