水流吹氣球，氣球會反覆脹大縮小喔！

※器材：水桶、1/2吋逆止閥、PVC管、透明水管、氣球

「水錘效應（water hammer effect）」是日常生活常見的現象，只要使用水龍頭，就很容易發生，但是常常被我們忽略。版主設計了一個趣味實驗，可以顯示水錘效應的奧妙。

實驗裝置如圖一，水桶裝水後（圖一右）放在桌上，再用椅子架高，並插入透明水管（用繩子綁在水桶上），將水引到地面，銜接到圖一左的裝置。圖一左共有三個組件，金黃色的是「逆止閥」，逆止閥裡面有一個活瓣，可以防止水流逆流。製作時要將逆止閥的方向朝下，連接到L型PVC管以及T型PVC管（材料在水電行都買得到）。完成後將氣球皮套到PVC管朝上的缺口（參見圖二），氣球皮要張開拉緊，再用像皮筋套緊。

裝置完成後，進行以下的操作：

1.以虹吸作用將水引進水管，水流由高處往低處流。

2.一開始水管中有殘留的空氣，用手指壓住逆止閥約半分鐘，讓空氣隨著水流流出逆止閥。

3.當水管中沒有空氣之後，放開逆止閥。

仔細觀察，逆止閥會自動關閉，然後氣球皮會脹大（如圖三），而氣球皮一脹大，逆止閥又打開，水流流出去，氣球縮小（如圖二）。氣球一縮小，逆止閥再關閉，氣球再脹大……，如此反覆不停的進行，相當有趣！

如果實驗失敗，逆止閥與氣球皮無法自動的開合，原因可能如下：

1.水桶不夠高，落差太小，水壓過小會造成水流下來的流速不夠快。

2.氣球皮太鬆或太緊。如果氣球無法鼓起來，就是繃太緊了，要再放鬆一些。如果氣球鼓起來，無法縮小，則是太鬆了，再繃緊一點或再加一層或二層氣球皮。

3.水管有漏氣或是有殘留空氣，因此務必確認沒有漏氣，以及一開始要壓著逆止閥半分鐘讓殘留空氣流光。

4.水桶不要太小，以免實驗過程水位降低太快造成水壓不足。

觀看實驗影片（27.0M） 

首先說明何謂「水錘效應」，當水管中的水流突然被關閉時，水流因為慣性持續往前流動，造成關閉處的壓力急速上升，並往回傳送壓力波（以音速傳播）。當水管越長、流量越大、高低落差越大以及關閉的速度越突然，水錘效應就會越明顯！

水錘效應經常在日常生活造成某些困擾，當老舊水管鬆動沒有固定好時，只要使用水龍頭之後關閉太快，就會產生水管撞擊牆壁的聲音，除了吵雜也會造成管路的破損。

本實驗利用水錘效應，產生氣球反覆脹大縮小、逆止閥反覆閉合的過程，說明如圖四：

(1) 逆止閥在安裝時，方向為朝下，使水流可以往下流動，無法往上逆向流動。因此當水流流動之後，來自水源的水壓會推動活瓣往上關閉，使水流無法流出。

(2) 當水流突然被關閉，產生水錘效應，壓力波往回傳遞，使得氣球皮開始脹大。

(3) 氣球脹大後，由於來自水錘效應的壓力已經消失，氣球皮的張力使得氣球縮小。氣球縮小後壓迫內部的水流出，抵銷了部分水源的水壓，而且逆水閥的活瓣（銅片）頗具重量，因此活瓣會往下掉落而張開。

(4) 逆止閥活瓣張開，水流流出去，氣球皮回覆原狀。由於水流持續流動，回復到(1)的狀態。如此反覆循環，造成氣球皮、逆止閥交替變化的現象。

1.利用虹吸原理將水桶的水引流下來，一開始通常會用嘴巴將水管中的空氣吸出來，建議將水管彎成∿ 形，比較不會吃到水。或是使用抽吸溶劑的工具（又稱抽油器，如圖五），就不必用嘴巴吸，更為安全方便。

2.不同組件之間的連接，如圖六，逆止閥（金黃色）與L形水管之間，要先用防水膠帶纏繞L形管上面的螺紋，以免漏水。而L形管與T形管之間，要插入一小段PVC管互相銜接（圖六最下方），銜接時管子要先塗上「塑膠水管膠合劑（接著劑）」，不能使用強力膠。

3.在教學上，國小階段建議教師可以準備好器材，讓學生組裝與實驗。國中以上則可以指導學生進行以下的科學探究：(1)水桶的位置高低，如何影響逆止閥與氣球皮的開合速度？(2)氣球皮包一層、二層等等不同層數，逆止閥與氣球皮的開合速度有何差別？(3)水管的粗細、長度，甚至不同尺寸的逆止閥與水管，又如何影響實驗結果？

1.邱政岡、許禮翔、黃志強（2014）。水錘與負水錘，與干涉。中華民國第 54 屆中小學科學展覽會高中物理組。

2.陳宗傑、黃培誠（2015）。水錘分析與防制之研究。消防技術專刊，第一輯第23篇。

3.三立新聞網（2015）。半夜怪聲抓到了！別怪鄰居吵--「水錘效應」像彈珠跳動。 http://www.setn.com/News.aspx?NewsID=195001

4. Chen, T., Ren, Z., Xu, C., & Loxtox, R. (2014). Optimal boundary control for water hammer suppression in fluid transmission pipelines. Computers & Mathematics with Applications, 69(4), 275-290.

5. Water Hammer Demonstration. https://www.youtube.com/watch?v=ujNGaQKap98

6. Hays Fluid Controls | Blog. Water Hammer - The Causes and Effects. http://www.haysfluidcontrols.com/blog/water-hammer-the-causes-and-effects/