科學玩具－浮力－水中沙漏(影片)

科學玩具－浮力－水中沙漏

在尋尋覓覓適合、適當的教具時，腦中浮現的念頭是它適合在哪一個單元出現？會不會過於複雜、花俏的效果而將原本所要呈現的單純概念掩蓋住？的有沒有辦法將很貴的教具用其他材料來呈現，進而普及化，甚至學生可供學生操弄？在國中的單元中，以上的問題大部分是可以解決的。但解決的先決條件是家裡要有地方擺材料和工具，背後還要有一個可以忍受工作桌上雜亂無章的另一半（雖然這樣的人自己都會覺得這樣很好，亂中有序咩～）。

所以材料必須是唾手可得的，不然當想法出現時會苦無材料可以把玩，即使把想法暫時記在筆記裡、隨便一張紙上或是電腦中，還是有可能整夜翻來覆去，只為了等天亮店家開門那一刻。還有瓶瓶罐罐的容器、（被切割過的）半容器、瓶蓋、銲槍、銲錫、熱熔膠（槍）及有的沒的耗材、工具，所以工具箱中的傢俬越來越齊全，後來還得買第二個工具箱。

這個自製教具的功能功能很單純，是利用水的浮力讓管中的沙漏上浮

在重力與浮力的拉拔下緩緩上升

這是參考既有的玻璃裝飾品，利用手邊的工具、材料做出來的教具。有到水族館買的塑膠管、文具店買的沙漏、寬口的飲料瓶蓋，最後再加上熱熔膠就完成了。只要沒有漏水，放在家裡便是一個可以玩很久的擺飾品，放在學校也可以是一種會引起學生興趣的教具。

沙漏受到向下重力與向上浮力的牽引而浮起，證明浮力大於重力。但是沙漏中的沙子持續地向下掉，難道對於向下的傾向一點幫助都沒有嗎？這是引起我興趣的第一個點，而且在高中物理課程就會遇到衝量與變化這個問題。僅僅只有這兩種力量作用而已嗎？這是吸引我繼續觀察的第二個點。

物質在管中並不會消失，而是在既有空間中交換位置

所以水往下流動，而沙漏向上浮起，沙子向下掉落

不過我最有興趣的並不是它的整體外觀，而是翻轉過來之後的過程，仔細一聽，會有持續不斷的聲響呢！有細柔的水聲，還有規律的敲擊聲。這敲擊聲哪裡來？肯定是沙漏撞擊管壁的聲音，因為翻轉塑膠管使沙漏上浮的過程中，已經在一開始就提供給沙漏側向的力量，當沙漏因此撞擊管壁時也會受到反作用力而往相反方向撞及另一側的管壁，這個過程在上升時是持續不斷的，使得重心並不是持續在幾何中心及中央軸線上，而是不斷地變化，所以才會有敲擊聲出現。

向下的水流並不平整，而是有紋路出現，在上升過程中都可以看到這個現象

是什麼樣的因素造成的呢？

因為沙漏是邊上浮邊左右搖晃，所以水流就有機會從增大又縮小的縫隙中流向下方。沙漏的縫隙因為橫向撞擊管壁而忽大忽小，能流過的水流就會時大時小，所以才會出現波紋，這才是我最想要觀察的現象。

 

這個類似水波槽實驗現象的干涉，一下子便將我拉回高中（雖然是廿年前）

雖然我高中物理沒有好好學，但還是選讀物理系

不僅是將管子放成垂直時會出現波紋，傾斜小角度時也會

到達最高點，在水還沒有完全流到沙漏下方時也會出現相同的現象

水量因為少而分離，但仍在局部出現波紋

當沙漏升高最高點，也就是上方沒有水，水也從一旁逐漸流往下方時，沙漏會短暫停留在原位，然後……噗通一聲掉下水！停在原位是因為水的附著力所致，但是當水不夠時，也就無法提供較大的力量使沙漏停在原處，因此在重力絲毫沒有減弱且浮力又趨近於零的情況下，隨時間漸減的附著力終於撐不下去了，支撐不住的下場便是向下墜落。

雖然水依然向下流，但沙漏在最高點會出現短暫的停留

水與沙漏互換位置總有結束的時刻，這時候好戲就要上場了

就好像跳水一樣，是瞬間發生的事，加上下落距離短，所以得要目不轉睛，不然就藉助數位相機來錄影就可以。落入水中的深度不會太大，除了加速距離短以外，最主要的還是因為沙漏不是憑空落下，會受到像是水的浮力（會隨著物體沉入的體積而增加），又或者是落下時管壁上的水的附著力等等。

但如果管子裡面被水所充滿，就不會在最後階段有額外的表演

剩下的就是看細沙向下掉而已

有個有趣的物理題目，據說在伽利略的手稿上有出現過，就是在天平的一邊吊砝碼，另外一邊吊上下兩層的圓筒容器，在中間的隔層中央有個小洞。洞平時是塞住的，可以在實驗中打開，讓水從上層流到下層，就像水鐘一樣，而容器與水的重量等於砝碼重量。

若水都停留在上層，天平當然平衡。當洞打開讓水流下時，天平往哪邊傾斜？向左？向右？還是保持平衡？

若以沙子來替代水，是不是容易觀察得多？但須考慮沙子是獨立的不連續體

高中物理有鐵鍊下墜的題目，也可以找來思考看看或乾脆實際做一遍

透過閱讀、觀察與辯證，可以知道很多現象及原理；經過聯想連結，可以將許多素材派上與原先不同的用場。不過找尋適合的材料前，還要知道去哪家買、去哪邊撿和去向誰要。其實不需要來問我哪個玩具到哪裡有賣，有心的話，累積一段時間之後，你也會有屬於自己的一份購物心智圖。

 

看看沙子掉落的軌跡，仔細看看其中會不會有玄機呢？