國立台中教育大學 NTCU

科學教育與應用學系

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浮空飛輪

懸浮在空中旋轉的奇妙飛輪!

器材:氣球、可出風吸塵器、雙面膠、保麗龍球、吹風機、縫衣針(線)、膠帶
操作步驟與現象:

一、氣球飛輪

本實驗的發想是版主由YouTube看到的影片(參考資料1),影片中利用吹風機器,讓一大圈銜接的氣球懸浮在空中,並且快速旋轉,相當有趣。版主嘗試這個實驗,成功的做出相同效果氣球飛輪。製作過程如下:

1.先準備具有「出風(吹氣)」功能的吸塵器一台。

2.取11吋氣球,並灌飽氣(八分滿即可),並將氣球頭部打結。

3.二顆相鄰的氣球以雙面膠互相黏貼固定(如圖一)。

4.總計黏貼20顆氣球,成為一個大圈圈(如圖二)。注意:氣球的數量要依吸塵器的風量大小調整;風量越大,氣球的顆數可以越多。

5.將吸塵器的吹風口綁在椅子,吹口朝上並略微傾斜(圖三左紅色圈),再打開開關,開始吹氣。

6.將氣球圈圈拿起來,靠近吹氣口,氣球圈就會快速的旋轉起來,而且懸浮著不會掉下來喔!試驗成功之後,可以讓小朋友排隊一個接一個跳過氣球圈。

上述操作中,氣球應該使用幾顆,只能以嘗試錯誤來決定。原則是:如果氣球圈圈被吹得太高(例如超過一個人身高),就是太輕了,不容易穩定旋轉,那就要再加氣球。如果氣球無法懸空,一直碰到地面,那就是太重,再減少氣球。

 觀看實驗影片(17.9M)

二、保麗龍球飛輪

以氣球製作的浮空飛輪,體積較大,教室的桌椅都要挪開,比較不適合空間不大的教室。版主試驗以小的保麗龍球代替氣球,並以一般的吹風機送風,也可以成功的製作出浮空飛輪喔!

1.取直徑約三公分的保麗龍球,以縫衣針(線)刺穿保麗龍球串接起來(如圖四)。保麗龍球的數目要配合吹風機的風力大小,風力越小,能承受的重量就越輕,保麗龍球的數量就要減少。

2.保麗龍球串接好之後,將縫衣線打結綁好,完成後如圖五。

3.一般吹風機的吹口太大,要以膠帶黏貼,使出風口寬約二公分,缺口形狀儘量要接近圓形(如圖六)。

4.吹風機開「冷風」,垂直朝上吹氣,然後將保麗龍球圈圈放在氣流的上方,就會浮空旋轉囉!如圖七,旋轉時宛如一個白色甜甜圈。

 

 觀看實驗影片(18.3M)

原理:

首先來觀察一個有趣的現象,如圖八;將乒乓球垂直懸吊著,然後接觸水龍頭的水流,自來水經過乒乓球的凸面後,水流往右邊方向偏斜了!而且乒乓球被水流吸引住,成為傾斜懸吊。

上述流體(水流或氣流)會離開本來流動方向的現象,稱為「康達效應(Coanda effect)」,也稱為「附壁作用」(流體會附著在凸出的管壁流動)。這是由於流體流經凸的曲面時,流速加快而導致流體吸附在曲面上流動。這種吸附作用顯示水流與凸面之間有吸引力,所以導致圖八的乒乓球會被水流吸住。

本實驗吸塵器或吹風機的氣流,通過保麗龍球的凸面,同樣產生附壁作用,使保麗龍球被吸引在氣流中(如圖九)。另一方面,由於氣流往上流動,提供了往上的作用力,因此可以支撐氣球或保麗龍球往下的重量,而產生懸空的現象。

最後,版主使用5吋小氣球製作飛輪,發現也可以成功的以吹風機產生浮空旋轉的現象!如圖十。

 

叮嚀的話:

1.以操作的成功率而言,吹風機(保麗龍球或小氣球)的難度較高,而吸塵器(大氣球)較容易成功但是成本比較高。因此使用吹風機的操作,適合國小高年級以上的學生;而吸塵器(大氣球)適合教師製作好之後,讓小朋友玩跳圈圈遊戲。

2.氣球專賣店有售頭尾可以直接打結連接的氣球,不必使用雙面膠黏貼,讀者可以嘗試使用來製作氣球飛輪,缺點是成本更高。

3.無論以大小氣球、保麗龍球來製作飛輪,務必讓飛輪儘量成為「圓形」(每顆球與圓心的距離都相等),如果飛輪的曲面不平均或者成為橢圓,會嚴重影響旋轉的順暢性!

4.在教學上,可指導學生進行以下實驗與探究:(1)使用吹風機,以「乒乓球」製作飛輪,是否也可以成功的產生浮空旋轉?(2)飛輪是否一定要使用氣球、保麗龍球的「球形」物體?方形或圓柱形也可以成功嗎?(3)改變吹風機吹風口的口徑大小(以膠帶黏貼封住),研究吹風口大小對於保麗龍球的浮空旋轉影響為何?

參考資料:

1. YouTube影片:https://www.youtube.com/watch?v=YkBdbblJrAc

2. 國立中央大學物理演示實驗:白努利定律嗎?http://demo.phy.tw/experimentfinal/hydrodynamics/coanda-effect/

3. 癮科學:飛機為什麼會飛? http://chinese.engadget.com/2009/03/23/on-flight/