將水流噴到鐵釘頭部，形成的有趣現象！

※器材：鐵釘、滴管、水管、筆套

本實驗是法國物理學家Savart在1833年發表的研究，歷史頗為悠久，但是直到近幾年都還有相關的學術論文發表喔！實驗的器材非常簡便，有二種玩法。

一、水鐘

1.將塑膠滴管的頭部剪下來，插入水管中，如圖一。

2.將二個不同大小的鐵釘，釘在木塊上，如圖二。其中第3個是將簽字筆的筆蓋黏在鐵釘上，使圖二共有三個不同大小的頭部。註：釘在木塊上只是為了方便操作，也可以將鐵釘插在吸管中。

3.將水管套進水龍頭，讓水流出來，如圖三，觀察水流噴到鐵釘頭部，會發生什麼現象？進行實驗時，水管的流水口要非常接近鐵釘頭部。

實驗結果如圖四～圖六。圖四是水流流速較小的現象，小鐵釘會形成封閉式的鐘形（圖四左），大鐵釘也是類似形狀（圖四中），而筆套則形成非封閉式的水鐘（圖四右）。

圖五是水流流速較大的現象，小鐵釘形成非封閉式的鐘形（圖五左），大鐵釘形成更大的類似形狀（圖五中），而筆套形成只有上半部的水鐘（圖五右）。

圖六是將插入水管中的滴管拿掉，水流出口變大的結果。小鐵釘形成狹長形的水鐘（圖六左），大鐵釘形成更大的狹長水鐘（圖四中），而筆套這次也形成了封閉式水鐘，而且更大（圖六右）！

二、水幕

這是「水鐘」的延伸實驗，有學者稱之為「開放性水鐘（open water bell）」或「水幕（water sheet水幕」。

首先將二股水流的流速調整為一樣，如圖七左。然後二股水流互相靠近（要注意對齊），就可以看到結果形成了圓盤狀的水幕（圖七中）。如果將流水口插入滴管，使水流口變小，流速增加，則形成的圓形水幕比較小，外圍則有放射狀水花，如圖七右。

觀看實驗影片（39.8M） 

形成「水鐘」的因素包含了重力、慣性以及表面張力。首先我們來觀察一個現象，吸管沾泡泡水之後，吹出一個泡泡。如果停止吹氣，則泡泡會自行縮小，如圖八。因為泡泡表面的水分子有表面張力（水分子之間互相吸引的結果），而使得泡泡表面積縮小，泡泡也就變小了。

本實驗的水流撞擊到鐵釘頭部，如圖九，往四周流散之後，因為重力而往下掉。由於慣性，水流會呈現拋物線軌跡（圖九藍色虛線），如同我們往前丟擲石頭，石頭會呈拋物線運動一樣。但是由於水的表面張力發揮作用（圖九紅色箭頭），使得水流改變方向，最後匯流在中央，而形成封閉式的水鐘形狀。

歸納水鐘的實驗結果之因素如下：

1.鐵釘頭部（圖九T字形）如果太大，左右二股水流的距離就比較遠，因此就比較不容易匯流在一起。除非水的流量夠大，有足夠的水量可以補充，讓水流持續的銜接，而形成更長的水鐘

2.水流流速比較快時，水流的動能增加，而由於表面張力在定溫時維持一定，因此表面張力改變水流方向的程度就降低了，也比較不容易匯流在一起。

至於「水幕」的原理較為單純，二股水流互相碰撞時，只要對齊水管，讓水流能均勻的往四周散開，就可以形成水幕了。

1.本實驗使用不同大小的鐵釘和筆套，讀者可以嘗試使用不同大小的銅板，以及較粗的水管，觀察實驗的結果有何差別？

2.進行「水幕」的實驗時，要注意二股水流的流速與流量要一樣。如果形成的水幕靠近左邊，代表左邊水管的流速太小，就要調大一點。

3.水鐘的實驗很適合發展為「科學探究能力教學」，例如讓學生探討不同的鐵釘頭部、不同水流速度、不同粗細水管（不同流量），甚至水管與鐵釘不同的距離，對於形成的水鐘形狀有何影響？過程中要注意控制變因，並測量水鐘的最大直徑或是長度。

1. Button, E. C. (2005). The dynamics of water bells. Honors Thesis. Department of Mathematics and Statistics, University of Melbourne.

2. Clanet, C. (2001). Dynamics and stability of water bells. Journal of Fluid Mechanics, 430, 111-147.

3. Marmottant, P., Villermaux, E., & Clanet, C. (2000). Transient surface tension of an expanding liquid sheet. Journal of Colloid and Interface Science, 230, 29–40

4. Wildeman, S. (2017). Water bells. http://www.phikwadraat.nl/water_bells/