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   

喜瑞爾效應

圖釘、竹筷在水上追逐的趣味實驗!

※器材:圖釘、竹筷、臉盆、紙杯

操作過程與現象

本實驗相當簡易有趣,很適合指導小朋友玩,共有三個實驗。首先準備以下物品:

1.用虎頭鉗將竹筷剪成小段(長度約一公分),共約15小段,並用水將竹筷潤濕。

2.準備一盒小圖釘,使用傳統的扁形大頭圖釘,如圖一左。不要使用塑膠頭(圖一中)或頭部太厚重(圖一右)的圖釘。

 觀看實驗影片(60.7M)  

實驗一:物以類聚

1.將臉盆裝水,然後將小段已濕潤的竹筷分別放進水中,請注意不要放在同一個位置,儘量讓竹筷分散,如圖二(1)。(註:為了拍攝需要,圖片中的水加了食用色素)

2.接著將圖釘「輕輕的」放到水面,以扁形頭部接觸水面,圖釘會浮在水面喔!陸續放入約十多個圖釘,同樣也是分散在不同位置,如圖二(2)。

3.結果可以發現,竹筷會自動的聚在一起,圖釘也會聚在一起,但是竹筷與圖釘不會聚在一起,如圖二(3)。如果用筷子或玻棒輕輕推一下圖釘,讓圖釘靠近竹筷,結果圖釘和竹筷會互相排斥喔!

 

實驗二:你來我往

1.以玻璃杯裝水大約九分滿,再放入圖釘和已濕潤的竹筷,如圖三(1)。結果竹筷會貼在杯緣,而圖釘則是遠離杯緣。用筷子(或玻棒)將竹筷推離杯緣,結果竹筷很快又回到杯緣。反之,將圖釘推到杯緣,圖釘馬上就離開杯緣,回到杯子中央。

2.以滴管吸水,滴入杯子中,如圖三(2),加水一直到水面略微凸起(表面張力使水不會溢出杯子)。

3.結果,竹筷和圖釘你來我往的交換位置了,如圖三(3),竹筷遠離杯緣,而圖釘則緊貼在杯緣了。

 

實驗三:反覆無常

1.取新的一次性紙杯,裝水大約八分滿,輕輕將圖釘放在水面上,如圖四(1)。結果圖釘會緊貼在杯緣,和玻璃杯的情形剛好相反。

2.用手指貼著杯緣抹一圈,如圖四(2),結果原來貼著杯緣的圖釘,很快的離開杯緣了!就算用竹筷將圖釘推到杯緣,如圖四(3),圖釘還是會遠離杯緣,回到杯子中央。

3.然後再加水,讓水位上升,結果圖釘又回到了杯緣,緊貼著不肯離開。接著再進行上述步驟2,用手指貼著杯緣抹一圈,圖釘又跑離杯緣了。如此反覆進行,圖釘一下喜歡杯緣,一下又遠離杯緣,反覆無常。

 

原理

本實驗是日常生活常見的現象,原理包含了表面張力、浮力、吸附力等等,以下的解釋主要依據Vella & Mahadevan(2005)以及Singh & Joseoh(2005)的文獻。

首先說明圖釘與竹筷浮在水面的差異。圖釘密度大於水,如果直接丟入水中,圖釘會沉到水底。如果輕輕的將圖釘頭部接觸水面後再放開,由於水面提供了表面張力,圖釘就可以浮在水面上。而竹筷的密度小於水,浮力就可以使竹筷浮在水面上。參見圖五,由圖五可看出,浮在水面的圖釘與竹筷最大的差異是:圖釘使得水面凹陷(因為重力),而竹筷的水面則是凸起的(因為浮力),換言之,圖釘傾向於保持在比水面低的位置,而竹筷傾向於保持在水面較高的位置!依此概念,三個實驗的原理,分別說明如后。

 

實驗一

將竹筷和圖釘放在水面,會分別聚在一起的現象,被稱為「喜瑞爾效應(cheerios effect)」,cheerios 原意為「麥片」,因為這個現象源於西方早餐常以麥片加入牛奶中,結果麥片經常會自動聚在一起或是靠到邊緣,因此稱為cheerios effect。

實驗一的竹筷和圖釘不會全部聚在一起,而是分別聚在一起,原因說明如下:

1.圖釘與圖釘之間接近時,如圖六上,圖釘之間的液面低於兩邊的液面(見圖黑色箭頭),上述圖五已經說明水面的圖釘傾向於往低處運動,因此二個圖釘會往較低的中央靠近而聚攏。

2.竹筷互相接近時,如圖六下,竹筷之間的液面高於兩邊的液面,圖五已說明竹筷傾向於往高處運動,因此二個竹筷往較高的中央移動而吸引在一起。

3.竹筷與圖釘為什麼互相排斥?如圖七,當圖釘靠近竹筷時,圖釘的液面為最低,竹筷傾向於停留在液面最高處,因此會遠離液面較低的圖釘。反之,圖釘傾向於停留在液面低處,因此會遠離液面較高的竹筷。

 

實驗二

玻璃杯裝水時,水和玻璃的吸附力強,因此水會沿著杯緣爬升,成為「彎月形(meniscus)」,亦即杯緣的水位比較高。如圖八(1),因此竹筷會貼在杯緣,而圖釘則會遠離杯緣,停留在比較低的液面中央。

玻璃杯一直加水,加到快要溢出杯子時,由於表面張力的作用,液面會凸起來,如圖八(2),此時杯子中央的水位最高,因此竹筷「上升」到杯子中央,而圖釘則往低處的杯緣「滑落」。最後竹筷就停留在杯子中央,而圖釘則緊貼在杯緣,如圖八(3)。

 

實驗三

玻璃杯換成一次性的紙杯時,由於紙杯在生產過程中表面塗了食用臘,而食用臘為疏水性,降低了水的吸附力,水無法沿著杯緣爬升,因此杯緣的水位比較低,如圖九,於是竹筷遠離了低水位的杯緣,而圖釘則靠近杯緣。

當我們用手指抹掉杯緣的食用臘之後,水就可以吸附在杯緣,使得杯緣的水位上升,如圖十,這時竹筷就會靠近高水位的杯緣,而圖釘則遠離杯緣了。

接著再加水,水位上升到含蠟的杯壁時,又成為圖九的狀態,圖釘與竹筷的位置互相調換了。用手指再抹一下杯壁,又回到圖十,如此反覆的使圖釘、竹筷一直互換位置。

 

叮嚀的話

1.進行實驗時竹筷都要先潤濕,是因為一次性竹筷在製造過程經常添加漂白劑或防腐劑等等(例如以硫磺或雙氧水漂白),使得竹筷表面具有一些疏水性,而影響實驗的效果,因此要先用水潤濕,以恢復竹筷的親水性。

2.實驗二、三使用的玻璃杯與紙杯,要避免使用太大的杯子,杯口的直徑建議約5~7公分。杯子太大,圖釘、竹筷和杯緣的距離增加,運動現象的明顯性會降低。

3.實驗三使用的一次性紙杯,注意要使用裝冷飲的紙杯(冷飲杯),不能使用耐高溫的紙杯(熱飲杯)。因為熱飲杯的表面有特殊薄膜,不容易抹掉。註:冷飲杯表面塗蠟是為了減少紙杯吸水而變軟

4.本實驗的操作相當簡易,國小低年級學生就可以完成實驗。在教學上可以進行以下實驗與討論:(1)將竹筷換成麵包屑、薯片、塑膠串珠或乒乓球等等,實驗結果有何差異?(2)將手插入水中,靠近圖釘或竹筷,會吸引還是排斥?為什麼呢?(3)將玻璃杯的杯壁用蠟燭抹一抹塗上蠟,實驗結果為何?和紙杯一樣嗎?(4)將金屬瓶蓋、塑膠瓶蓋放在水面上,他們會互相吸引還是排斥?為什麼呢?如果再加少量黏土到瓶蓋中(不要加太多,避免瓶蓋沉下去),結果有差別嗎?

參考資料

1.高頌凱(2006)。利用浮沈子測量液體表面張力並演示"Cheerios effect"。臺灣二O O 六年國際科學展覽會(物理科)。

2.跟著鄭大師玩科學。親子活動(四十八)喜瑞爾效應遊戲。http://www.masters.tw/141161/%E8%A6%AA%E5%AD%90%E6%B4%BB%E5%8B%9548

3.科學人-微文庫。咖啡杯裡的泡沫為什麼總喜歡黏在一起? https://weiwenku.net/d/104151739

4. 食品生活網-台灣食品科學技術學會。紙杯、紙餐盒不會有塑化劑嗎?http://www.food.org.tw/TW/QADetail.aspx?PI=T6877gRzp9I=&QAID=3NMa2uX8scA=

5.Kralchevsky, P. A., & Nagayama, K. (2000). Capillary interactions between particles bound to interfaces, liquid films and biomembranes. Advances in Colloid and Interface Science, 85, 145-192.

6.Singh, P., & Joseoh, D. D. (2005). Fluid dynamics of floating particles. Journal of Fluid Mechanics, 530, 331-80.

7.Technology & science - Science – LiveScience. NBC News Scientists explain the ‘Cheerio Effect’. http://www.nbcnews.com/id/9425907/#.WkICGlWWaUk

8.Vella, D., & Mahadevan, L. (2005). The Cheerios effect. American Journal of Physics, 73(9), 817–825.