國立台中教育大學 NTCU

科學教育與應用學系

科學遊戲實驗室   回首頁   

奇妙的層流

彷彿時光倒流的奇妙實驗!

※器材:透明杯子(大小各一)、洗碗精或甘油、食用色素(紅藍綠各一)、滴管、長尾夾

操作過程

本實驗能展現有如時光倒流,令人驚訝的有趣現象,表演示範過程如下:

1.完成的裝置如圖一;有一個較小的杯子放置於大杯子裡面,大杯子的杯口夾了四個長尾夾而大小杯子之間的空隙以洗碗精(或甘油)填充,最後滴入三種顏色的食用色素各一滴(間距約1公分)

2.實驗開始;一手固定大杯子,一手旋轉上面的小杯子(如圖二),只見三個顏色的色素開始混合繼續旋轉,色素的顏色幾乎都混合在一起了(如圖三)。

3.旋轉約二圈後,接著;反方向旋轉(如圖四),仔細觀察色素的顏色有何變化?當反方向旋轉小杯子回到原來的位置時,色素幾乎又回到原來的分離狀態(如圖五),似乎違反顏色混合之後,就無法自行回到原狀的生活經驗!怎麼做的呢?

觀看實驗影片(11.2M)

準備過程

1.首先準備大小二個杯子,二個杯子的大小不能差異太大,小杯子放入大杯子中,間距避免超過0.5公分,而且小杯子最好是筆直的圓筒狀。

2.將洗碗精(或甘油)倒入大杯子,約達三分之一高度,再將小杯子放入大杯子中,如圖六。注意:倒入洗碗精時儘量沿著杯緣緩慢的倒入,避免產生小泡泡

3.在大杯子杯口的前後左右分別夾上一支長尾夾,以隔開小杯子,讓大小杯子之間有固定的間距(如圖七),鳥瞰圖如圖八。

4.檢查洗碗精(或甘油)的高度,如果太少(例如高度不到大杯子的2/3),可再倒入一些洗碗精。注意:避免洗碗精接觸到長尾夾。

5.準備三個小杯子,分別倒入約10毫升洗碗精,再分別滴入三種顏色的食用色素各二滴,充分攪拌。完成後,以滴管吸取各顏色的色素,插入圖七裝置的洗碗精中,深度約1~2公分,滴入一滴即可(如圖九)。依序將三種色素滴進大杯子的洗碗精中,就完成了準備工作

原理

一般而言,流體(例如空氣或自來水)在流動時,流體內部各質點的運動方向並不一樣,而成為一種亂流(turbulent flow,或稱為擾流),如圖十上方。亦即流體向前流動時,形成很多細小漩渦,方向混亂。

但是如果當流體在流動時,各質點之間互相平行,各層之間不會互相干擾,則成為一種「層流(laminar flow)」,如圖十下方。本實驗的操作就是製造出「層流」的效果,亦即當旋轉小杯子,讓洗碗精流動,色素在洗碗精中跟著流動時,並非隨意方向的運動,而是相互平行的運動。當小杯子反方向旋轉,色素就跟隨著反方向平行運動回到原來的位置了。

要形成「層流」有一些特定的條件,通常流體的「黏度」越大、「流量」與「流速」越小,越容易形成層流。這也是為什麼本實驗使用黏度較大的洗碗精(或甘油)的原因。

叮嚀的話

1.隔開大、小杯子的長尾夾,建議不要使用太小的長尾夾,以確定讓小杯子在旋轉時,與大杯子能保持固定的間距

2.旋轉小杯子時,避免旋轉太快,因為流速與流量越小,越容易形成層流。

3.將洗碗精倒入大小杯子之間時,注意不要產生小泡沫或是空氣泡泡,以免妨礙洗碗精的流動性。

4.在教學上可以指導學生探究以下問題:(1)日常生活或是人體中,有哪些現象屬於層流?(參考解答:噴水池、部分血管的血液流動)。(2)將洗碗精換為蜂蜜、膠水或其他液體,實驗結果有何差別?(3)探究不同尺寸的大小杯子,實驗效果如何?

參考資料

1. Steve Spangler Sciencehttp://www.stevespanglerscience.com/lab/experiments/twist-in-time-laminar-flow

2. Scientific Visual Coderhttp://dhastha.wordpress.com/2011/03/10/intro-on-fluid-dynamics/

3. 國立中央大學物理演示實驗:http://demo.phy.tw/experiments/hydrodynamics/un-mixing/

4. Engineering ToolBoxhttp://www.engineeringtoolbox.com/laminar-transitional-turbulent-flow-d_577.html

5. Youtube 影片:http://www.youtube.com/watch?v=p08_KlTKP50