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物理與天文學科

從吹不動螞蟻說起-層流之探討

為觀察氣流流經物體表面不易流動的現象,我們設計製造風洞實驗裝置。將筆芯墊在金屬片上,測量筆芯被吹動時的驅動速率,繼而變更筆芯的高度與水平位置,測量筆芯被吹動之驅動速率。由數據作圖可看出在風洞管下半部,筆芯驅動速率會隨著高度以乘冪減少,也就是從底層往上的流速是乘冪函數增加,與文獻之圖形類似。同時從數據作圖分析中也可看出筆芯越細,隨高度增加時,驅動速率較快變小。而筆芯超過風洞管一半鉛直高度後,數據曲線不如預期,故又繼續研究金屬塊破壞層流之效應。在底層放平行條狀物(簡稱肋條),用筆芯來看出氣流的擾動,測出驅動速率有些區域大有些區域小,表示障礙物引起二次流的紊流並不是流速變快,是屬於擾動式的。

腔體共振與開孔流速的探討

本研究探討腔體受聲音震動導致開口噴出氣流的現象。實驗以揚聲器播放聲音,使固定於其上的剛體錐形瓶共振,揚聲器與腔體之間並無直接接觸。通過改變聲音頻率、腔體參數(包括體積、瓶口截面積、瓶頸長度),以及揚聲器震動振幅與腔體內外氣壓,研究噴流流速的變化。 研究發現腔體內氣壓振幅超過臨界值時,腔體開口處會噴出一連串渦流環,根據拍攝的影像確認連續的渦流環組成的噴流即為合成氣流(synthetic jet)。噴流流速在聲音頻率與腔體共振頻率相同時達到峰值,並隨聲音頻率偏離共振頻率而急速下降。流速峰值頻率符合修正後的亥姆霍茲公式,且瓶頸長度越長,共振時合成氣流峰值流速越低。本研究為聲能轉動能方面提供新的研究途徑,並有進階研究的可能性。

妙妙圈垂直自由落下漂浮時間之探討

妙妙圈(slinky)是一種預力彈簧,未伸展時彈簧會聚合並且需要外力才能將其分開。將其上端懸吊,重力會使彈簧局部分開,釋放其上端後,下端會在空中漂浮一段時間,直到上端逐漸向下聚合並與下端聚合段接觸時,整體才開始落下。在既有的權威研究中,認為漂浮時間是縱波從上端傳遞到下端的所需時長。 本研究以光電計時器精密測量漂浮時間後發現,漂浮時間與縱波所傳遞時間並不相符,反而與聚合段的落體時間吻合。為此,我們推導了在妙妙圈下方懸掛重物後,聚合段的落體時間,並與實際測量的漂浮時間比較,發現兩者完全一致。 這結果除了顯示彈簧下端的開始移動確實並非縱波傳遞所造成,而且本研究所推導出彈簧下端漂浮時間的公式確實正確可用。

液滴爆炸

本研究探討乙醇水溶液液滴於疏水流體表面之分裂現象。此現象可利用揮發造成乙醇之濃度梯度所驅動的表面張力梯度來解釋,又稱為馬倫哥尼現象(Marangoni Effect)。液體為達到最低表面能而改變表面積的普托瑞立不穩定現象(Plateau Rayleigh Instability)也可以做為液滴分裂的解釋之一。 在研究中,研究團隊發現溶液在油面上會隨時間分裂出子液滴,並對於最終子液滴的半徑與分裂現象分別進行定量與定性之探討。本研究於先遣實驗中發現乙醇水溶液濃度之臨界下限為65%~67%重量百分濃度,並以大於(含)此濃度之溶液進行關於乙醇濃度、溶液體積與油層厚度三項參數對於最終子液滴半徑、分裂時間、液滴最大擴散半徑與擴散半徑演變之影響。

「蝕」破天驚~超聲波場中空蝕效應之破壞情形分析

本實驗使用超聲波洗淨機為主體,將鋁箔紙放入腔內振盪,引起腔內液體產生空蝕現象並損壞鋁箔紙。我們使用分析軟體研究不同液體條件對鋁箔破壞的影響,以找出最佳清洗效果。 研究結果顯示,黏度越大的液體造成的破壞面積較小。這結果可以從Brabec和Mornstein(2007)的實驗中解釋,因為黏度增加會使空蝕閾值提高,也就是發生空蝕現象的條件變得更苛刻。溫度低下破壞程度較嚴重。 通過實驗和壓力感測器,我們發現超聲波在洗淨槽中以駐波形式產生空蝕現象,且破壞最嚴重的地方位於壓力變化最大的節點處。然而,由於超聲波洗淨機不是封閉系統且邊界條件複雜,無法精確推測表面情況。因此,我們希望透過建立數學模型來完善實驗。

高斯光束照射橄欖油產生繞射的研究

高斯光束(Gaussian beam)穿過透明液體時,對液體局部加熱,使液體有溫度梯度,伴隨著產生折射率梯度。葉綠素-a(Chlorophyll-a)乙醇溶液對紫光的熱吸收率為乙醇的數百萬倍,橄欖油的葉綠素-a含量很高,利用高斯光束照射橄欖油時,橄欖油吸收的大量的熱量產生折射率梯度,以及產生熱透鏡(Thermal lens)和自調相(Self-phase modulation)現象。 以雷射光照射橄欖油,由於熱透鏡現象使光束擴張成大亮點(半徑R),由於自調相現象使光束在屏幕上產生繞射圖樣(繞射亮紋數目N)。圓柱筒裝橄欖油(液柱長度a),用不同功率的雷射照射橄欖油,探討吸收的熱量對R和N的影響。另外使光束先經凸透鏡聚光再照射低熱吸收率的色素水溶液做對照比較。

亂中有序—鈍體撞擊流場之渦流與亂流交互作用機制探討

流體力學與人類許多空中交通運輸工具的設計息息相關。本研究使用與空氣黏度相近的肥皂泡膜模擬空氣流場,利用泡膜因薄膜干涉產生色彩的「流場可視化」特性,統整、歸納鈍體撞擊流所產生渦流的變化。藉由設計實驗,將連續錄製的影像匯入軟體分析,發現渦流因泡膜在不穩定流場下受高、低壓差影響,導致次渦流的形成;渦流脫落鈍體後運動的加速度值恆定;主次渦流分離時,恰與渦流脫落木棒的時刻相同,並渦流形成的時間愈長,面積愈大,而渦流脫落後其面積變化趨於平緩;雙渦流與單渦流運動的加速度值比為根號2,推得能量差為2倍。

小圓點的百米賽跑-界面活性劑於水面之擴張探討

本實驗探討界面活性劑於水中的擴散情形,取各濃度界面活性劑溶液滴入水中,並紀錄漂於水面之塑膠圓片的運動再透過tracker軟體進行分析。由數據結果得知,界面活性劑於水面上的擴散速度與濃度無關,其擴散是以水面上一層薄膜的方式擴張,故擴散後中央區濃度幾乎不變且會不斷擴張直至整個表面,但擴張過程其邊緣仍會有短距離的濃度稀釋區域。漂浮物僅有極短的加速時間,乃因界面活性劑擴張速度快於漂浮物的移動,故在啟動後不久物體便被界面活性劑超越並進入中央濃度不變區而無法再加速。不同濃度對相同距離之漂浮物所造成的初期加速度、所達極速及到達極速所需時間差異不大,可推測各濃度擴散至相同遠近時其濃度梯度相近且梯度區域寬度亦相近。

攻角對水漂跳動行為的力學分析

此研究是以實驗方式,驗證理論模擬中指出水漂在不同入水模式下,攻角為20度時皆可產生最佳的彈跳效果。因此我以壓克力板作為模擬水漂的模型,設計了以下四組操作變因,分別是入水攻角、水的流速、水漂邊界形狀以及不同粗糙程度的接觸面,透過Tracker分析壓克力板的質心彈跳高度及運動軌跡,再利用Excel、SciDAVis分析數據,找出其中的運動相關性。最後透過座標轉換,可以利用這些實驗來分析打水漂的運動行為,成功發現攻角在20度時有最佳的彈跳效果,並以此結論來優化打水漂的運動行為。

雙殼綱潛沙行為之物理機制探討

文蛤與西施舌為台灣西南沿海沙岸常見的潛沙型雙殼綱動物,然殼型瘦長的西施舌潛沙總深度遠大於鈍胖的文蛤,故本研究欲探討兩者殼型是否具導致行為差異之物理特性。透過觀測潛沙行為、受力特性,發現西施舌不僅單次潛沙深度較文蛤大,潛沙時的受力、耗能還小於文蛤。此外,西施舌潛沙時相比文蛤幾乎不轉動,應是受限於較大的單位質量轉動慣量。進一步以模型殼分析後,發現其受力與殼長(L)、殼寬平方(W2)和殼高平方(D2)等參數呈線性正相關,其中W、D直接影響殼體潛沙時的最大截面;L則間接影響殼體在沙面下的外殼弧形。本研究結果可解釋潛沙型雙殼綱動物以特定入沙角度潛沙之行為實具有減少潛沙阻力之物理意義,未來值得應用於鑽研工具之設計。