浮力與重力的交響曲─水下滑翔機
文／宋祚忠、林旻宜 國立海洋科技博物館籌備處研究規劃組 試想，當物體被置放在水中，影響物體最後會浮出水面，或是沉入水底的原因為何?簡單來說就是物體的「重量」，跟物體在水中所受到「浮力」等二者最後交互作用的結果。當物體重量小於其在水中所受到浮力，物體便會浮出水面；反之，則會沉入水底，而物體在水中所受到浮力大小又等於其在水中所排開水體積的重量，這便是著名的“阿基米德原理＂。從本篇實作中，讓我們再仔細看看，「重量」跟「浮力」除了幫忙阿基米德證明國王的新王冠中確實含有其他雜質，成功的揭穿了金匠的詭計之外，還在現代海洋科技應用中扮演何種重要角色。由於目前國家正不遺餘力的推動海洋教育，而水下科技在海洋科技領域又占有一席之地，因此，本篇特以水下科技發展重點之一的「水下滑翔機」為例，將其運用「阿基米德原理」優游滑翔在大範圍海域偵測與取樣之沉浮方式介紹給讀者，帶領讀者一窺水下科技的奧秘，同時並提供另一種包含海洋元素的「浮力與重力」素材給中小學教師們參考，有機會時可以在課堂上引用。 你知道麼是「水下滑翔機」嗎？「水下滑翔機」的滑翔原理跟天上飛的滑翔機一樣嗎?答案是否定的。天上飛的滑翔機依靠迎面而來的風而爬升，就像老鷹一樣，依靠風勢而盤旋在天際，風愈強，爬升的速度愈快。下降則是受重力作用而逐漸滑翔至低處，所依靠的原理是「伯努利定律」。「水下滑翔機」的全名又稱為自主式水下滑翔機（AutonomousUnderwaterGlider,AUG），在水下科技的分類上，屬於無人水下載具（UnmannedUnderwaterVehicle,UUV）之一種，與遙控水下載具（RemotelyOperatedVehicle,ROV）、自主式水下載具（AutonomousUnderwaterVehicle,AUV）等同屬一類。但AUV及ROV在水中大多是靠傳統的螺旋槳推進，而AUG在海洋水體中則是利用重力自然下潛，利用浮力引擎產生浮力上浮，就在一上一下的過程中靠著機翼轉換出向前的推力，並以如圖（2）所示之垂直鋸齒狀軌跡運動方式掃描海洋水體，進行大範圍蒐集水下水文資料（如水溫、鹽度、壓力…等），其水平之航程甚至可以達到數千到數萬公里之遠。 目的 本教學活動將利用相當容易取得的1元、5元硬幣、大頭針、喝完的鮮奶（或鮮果汁）紙盒、泡棉雙面膠帶，以及直徑5㎜的吸管等材料，經過剪裁、黏合、測試及調整之過程而製作出「水下滑翔機」模型，使其可以在學校的長型實驗水槽（或洗手台）中、或是家中的浴缸裡的進行水中滑翔。 實驗步驟 一、材料及工具準備： 如圖（3）所示。
1.準備三支直徑5㎜的吸管，其中二支長約14㎝作為側管，一支長約13㎝當作為頂管。
2.從鮮奶（或鮮果汁）紙盒所剪裁成之翼板（10㎝×2㎝）及垂直艉翼（1㎝×4㎝）各一張。
3.大頭針（或3㎝細短鐵絲）2支。
4.15㎜寬之泡棉雙面膠帶長約10㎝。
5.15㎜寬透明膠帶長約40㎝。
6.1元硬幣3枚、5元硬幣1枚。
7.剪刀（或美工刀）一把、尖嘴鉗一支。
8.長型實驗水槽（或洗手台）一座，建議長×寬×深至少為60㎝×30㎝×20㎝以上。 二、水下滑翔機製作： 1.較長的二支較長之側管及一支較短之頂管，是為水下滑翔機主體。請將側管及頂管的二側（共6個開口）各以透明膠帶分別加以封口，並確保其不致進水。如圖（4A）至圖（4B）所示所示。 2.製作水下滑翔機主體：取出完成封口防水之吸管，將其中2支側管前後對齊，並以透明膠帶黏貼固定後，再拿出頂管，將其一側先對齊側管之一側，同樣以透明膠帶予以黏貼固定，如圖（5）所示。 3.製作配重勾：
（1）取出2片長寬約1㎝×1.5㎝之泡棉雙面膠，並將此2片泡棉雙面膠疊合黏貼在一起，如圖（6A）及圖（6B）所示。
（2）將此疊合黏貼後之泡棉雙面膠黏至主體艏部之側管下方，再以透明膠帶予以加強固定，如圖（6C）及圖（6D）所示。完成圖則如圖（6E）所示。
（3）取出一支大頭針，從泡棉雙面膠重中央以45度斜插入二支側管中央，並小心不可插入側管及頂管，以免發生進水，如圖（6F）所示。完成圖則如圖（6G）及圖（6H）所示。
4.黏貼機翼及固定置重：
（1）取出自鮮奶（或鮮果汁）紙盒中剪裁出翼板（10㎝×2㎝），並將其一側中央短邊黏貼上一條約2㎝長之泡棉雙面膠帶，如圖（7A）及圖（7B）所示。
（2）將翼板黏貼有泡棉雙面膠帶之一側貼附至二支側管下方，邊緣距離艉部約5㎝，如圖（7C）所示。
（3）取出一條約2㎝長之泡棉雙面膠帶以及1元硬幣2枚、5元硬幣1枚備用，並將翼板底側中央短邊再黏貼上泡棉雙面膠帶，如圖（7D）及圖（7E）所示。
（4）將1元硬幣2枚、5元硬幣1枚如圖所示之方式疊合後黏貼固定，如圖（7F）及圖（7G）所示。
（5）將疊合後之硬幣撇附至翼板底側中央處，如圖（7H）所示。
5.製作垂直艉翼：
（1）取出垂直尾翼板，及一條約1㎝長之泡棉雙面膠帶，）將泡棉雙面膠帶貼附至垂直尾翼板之一側，如圖（8A）及圖（8B）所示。（2）將垂直尾翼板折合起來，但保持中間可以讓吸管插入之空間，將完成支垂直尾翼插入頂管之艉部，如圖（8C）及圖（8D）所示。
6.配重製作：
（1）取出1支大頭針，並以尖嘴鉗將其彎成U字型，如圖（9）所示。
（2）取出1枚5元硬幣，於其二側各黏貼上一小段泡棉雙面膠後，將已彎成U字型之大頭針兩端均黏於雙面膠上，如圖（9）所示，再用透明膠帶圍繞黏貼於其上，以免大頭針脫落。
7.水下滑翔機製作完成，如下圖（11）所示。 三、測試您的水下滑翔機 1.將長型實驗水槽（或洗手台）放滿水（建議至少約20㎝深），並將已完成配重勾安裝之水下滑翔機，放置於水面，此時水下滑翔機應會浮於水面上，而且艏部較艉部稍微突出於水面，如圖（12）所示。
2.將水下滑翔機按壓於水槽底後再放手，將會看到水下滑翔機開始慢慢滑翔前進並逐漸浮出至水面，如圖（13）所示。
3.取出「配重」，掛在水下滑翔機之配重勾上，並以手將此水下滑翔機輕輕斜放入水中後放開，如圖（14）所示。水下滑翔機此時應會朝前方滑翔前進並逐漸沉入水底，並且當「配重」碰觸到水槽底部時，「配重」會自行脫落留在水槽底部，而水下滑翔機則將跟前項之觀察結果一樣，自水底滑翔前進並逐漸浮出至水面，如圖（15）所示。