國立台中教育大學 NTCU

科學教育與應用學系

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瓶子浮空術

怎樣可以讓瓶子浮在空中呢?

器材:可出風吸塵器、吸管、膠水瓶、乒乓球、螺絲起子、寶特瓶、膠帶、長尾夾
操作步驟與現象:

在「浮空飛輪」的實驗中,我們以吸塵器機吹風,讓一長串的氣球浮在空中旋轉。本實驗是將生活中的瓶子拿來吹看看,結果也可以浮空喔!

本實驗的發想是版主在YouTube看到不少吹螺絲起子浮空的影片(參考資料1),甚至也可以讓膠帶卷浮著旋轉(參考資料2)。這些影片都是使用空氣壓縮機(車子打氣用)來吹氣,風力較強,一般家庭或學校沒有空氣壓縮機,不利於推廣。版主嘗試使用吸塵器(有吹風功能)實驗,結果無法讓螺絲起子浮在空中,原因是風力太小。版主進行了以下的改造,結果相當有趣。

首先要改造吸塵器的吹風口:將吹風口縮小。吸塵器有不同型式的吹風口組件,選取吹風口是扁平狀的(參見圖一),然後將吸管(口徑要能插入吹風口)以熱熔膠將吸管黏著在吹風口,吸管與吹風口之間的缺口,再用膠帶黏住封閉(反覆黏二、三層),以使吸塵器的送風都由吸管吹出來。完成後就可以開始進行以下實驗了。

第一個實驗是空的膠水瓶,將吸管(吹風口)傾斜朝上,朝著膠水瓶的尾部吹氣,結果如圖二,膠水瓶懸空浮著!但是膠水瓶很貼近吹風口。版主將瓶子內殘留的膠水用棉花棒清理乾淨,減輕重量,再實驗一次,結果如圖三,膠水瓶高度變高了,而且和吹風口的距離也增加了,明顯的完全浮空。接著是膠水瓶的頭部(瓶蓋部分)朝上,結果如圖四,也是可以完全浮空!

但是請留意,膠水的頭部有些是方形的(如圖五藍色蓋子),有些是圓弧狀的(圖五黃色蓋子)。實驗結果發現方形頭部無法浮空,圓弧狀的頭部才可以浮空!

 

由上述實驗發現,氣流經過「圓弧狀頭部」有利於物體的浮空。因此版主以乒乓球掛載螺絲起子,如圖六,吸管對著圓弧狀的乒乓球吹氣,結果可以成功地讓螺絲起子懸浮在空中了。

確認了圓弧狀有利於使物體浮空,再進行寶特瓶的實驗。實驗時如果直接對著寶特瓶吹氣,會發現寶特瓶一下子就被吹走,顯示寶特瓶重量太輕。另一方面,寶特瓶的頭尾都不是圓弧狀,因此進行如圖七的改造:(1)切除寶特瓶的頭部,然後用膠帶黏住缺口,使頭部成為圓弧狀。(2)由於寶特瓶的瓶身比較寬,因此吹風口不是吸管,而是吹塵器原有的吹風口。(3)切除寶特瓶的底部,再夾上長尾夾,以增加重量。長尾夾的數量要由實驗來確認,如果寶特瓶很容易被吹走,就是太輕,要再增加重量。如果寶特瓶一直掉下來,則要減少重量。實驗結果如圖八,寶特瓶成功的浮空了!

 觀看實驗影片(15.8M)

原理:

本實驗的原理為「康達效應(Coanda effect)」,當流體流經凸的曲面時,流速加快而導致流體會吸附在曲面上流動(又稱附壁作用)。附壁作用產生將瓶子推向氣流的作用力(圖九紅色箭頭),因此瓶子不會被吹離氣流,而且此作用力朝右,使得瓶子會略為傾斜。另一方面,由於氣流往上快速流動,提供了往上的作用力(圖九綠色箭頭),因此可以支撐瓶子的重量,使得瓶子能夠浮空。

 

叮嚀的話:

1.進行實驗時,建議將瓶子先放在手掌上,再靠近吹氣口,觀察瓶子被氣流吹動的情形。當條件恰當時,瓶子會貼著氣流,不會被吹走,然後再鬆開手讓瓶子浮空。

2.吹氣口黏貼的吸管尺寸,要配合瓶子的大小。基本上瓶子的直徑越大,吹氣口就要越大。例如吹寶特瓶,吹氣口就要比吹膠水瓶子的更大。

3.瓶子的重量是影響實驗成功與否的重要因素之一,也會影響瓶子浮空時的傾斜角度,重量越輕,瓶子傾斜角度越大。

4.本實驗很適合「探究教學」(適合國中以上學生),先讓學生完成瓶子浮空的操作之後,引導學生選擇探究的問題,例如研究不同大小的噴氣口、不同瓶子重量、不同瓶子形狀、不同風量等等的變因,分組選定探究的問題與實驗變因,形成假說之後設計與進行實驗(含控制變因),最後依據實驗結果的資料下結論與傳達成果。

5.除了以上的探究教學,也可以指導學生實驗與討論以下問題:(1)使用吹風機,以寶麗龍製作各種不同造型,實驗哪些造型可以成功地完全浮空?相關實驗技巧請參見「浮空飛輪」。(2)以問題解決型式,設計除了能夠浮空,還可以轉動(不是滾動)的造型。(註:轉動容易造成浮空狀態不穩定,難度較高)。

參考資料:

1. Levitating Screwdriver Trick.https://www.youtube.com/watch?v=-2dQfEfs_7I

2. Floating Roll of Tape. https://www.youtube.com/watch?v=dizvaTFBpVw

3. Applied Science on Patreon:The physics of floating screwdrivers. https://www.patreon.com/posts/physics-of-2501109