全國中小學科展

高中組

應用3D列印於縮尺建物耐震試驗之可行性探討

台灣對建物安全與結構防災的意識提升,為達到處於地震頻繁的臺灣具有居住安全,目前建案多強調房屋結構中加設制震系統以達到減震效益,因此國震研究中心投入相當成本進行耐,因此國震研究中心投入相當成本進行耐,因此國震研究中心投入相當成本進行耐,因此國震研究中心投入相當成本進行耐震試驗,而透過本專題去探討此一耐震試驗於研究架構之可行性。 本研究目的係利用3D列印技術進行縮尺建物之耐震試驗,並透過數值與實驗模擬不同地震波下,比對3D列印模型之頂層加速度與位移歷時是否有相同之變化趨勢?並討論他們在實驗後各方面的特性差異並做比較,藉由結果數據,以「效益值」、「嚴謹度」、「合理性」三點進行討論出耐震試驗之可行性,其結果在長週期之針筒阻尼有顯著之制震結果趨勢,唯利用熔絲製造的3D列印方式較無法達到元件具有理想的結構力學行為。

任意門:隱藏式連動安全門擋

「門」是每天生活中必須接觸的屋內設施,一天之中總要開開關關好幾回,但每當遇到風大時候,不小心就會發生加速作用,『碰!』的一聲,如雷貫耳!基於此一日常生活體驗和自學校教室觀察到門擋損壞情形,發現門的使用實有其不便之處與特殊需求,於是構思具備構造簡單、耐用,又能將門打開固定於任意位置的裝置。 作品優點與特色為: 1. 簡易的結構設計、周全的功能考慮。 2. 能避免破壞性施工,不需於牆壁或地板上鑽孔。 3. 人性化設計,配合轉動門把帶動門擋裝置,即可將門打開固定於任意位置。 4. 安全性考量,可防止誤推拉的情形,並能適應不平整的接觸面。 5. 增加第三支點的防暴力設計,功能更完備。 6. 隱藏式設計,維持門板原有外觀,操作方便具實用性。

旋機-在會旋轉的平面和立方格子中選取塗色求塗法數

「在兩個7×7方陣中各選2格塗色,若其中一個方陣旋轉90°、180°、270°之後和另一個相同,則稱它們有相同的塗法,問有多少種塗法?」 我們從邊長小的方陣開始,將塗法一個一個畫出來,發現兩個塗色的格子有線對稱和不對稱兩種關係;塗4格時,發現多出了點對稱的關係。由此,我們想出旋轉複合(後面將解釋)的方法,並發現它可以運用在長方形塗方格和正六邊形塗三角形格子等平面問題。 接著我們推廣到立方體塗兩立方格,由於立方體的對稱軸太多,與其將之分為許多對稱關係,不如直接選格塗色,雖然長方體和正立方體的計算方法複雜許多,但其中仍有部分可運用從方陣和長方陣得出的公式。

可調步距助行車

本作品探討病患因傷因病需要進行腿部復健的助行訓練器,在鋁擠條的車架上設計可調式定距離機構、座椅機構、後退止逆限制機構等機械裝置,並採用Arduino控制器結合感測器來輔助訓練位移量的記錄,可量測病患心跳體徵,同時兼顧安全與訓練功能,可以有效地輔助物理治療師或職能治療師實施復健療程,機構本身沒有用到電動機所以無需用到電源,由病人自發自主的訓練來縮短復健時間,早日回歸職場正常作息。

空間穿越-油滴二次觸水的穿透現象

入射油滴(母油滴)與水面第一次碰撞時並不會穿透水面,但碰撞過程所產生的液柱會震盪,我們發現若液柱震盪過程中有產生分離的油滴(子油滴),則子油滴落下時跟液面進行第二次碰撞,在某些狀況下會發生穿透液面的現象,但母油滴高度並非愈高就愈容易產生可穿透液面的子油滴,經由觀察結果顯示,子油滴是否可以穿透液面與觸水時液面振動方向有關。另外我們也觀察到水面的溫度對子油滴穿透的影響非常小,但加入清潔劑的液面比較容易被子油滴給穿透了,另外我們試著縮小母油滴的體積,來觀測子油滴穿透液面的狀況。

沿海與內陸植物水勢能及莖彈性係數的關係

本實驗的目的在於藉著不同的實驗,測量出沿海植物(本實驗採用馬鞍藤)及內陸植物(本實驗採用番薯)水勢能、滲透壓相關的數值,代入公式後,再與兩種植物莖的彈性係數相比照,進而求得植物水勢能及莖彈性係數的關聯性,最後與植物本身的特性結合,例如:馬鞍藤因為要抵擋沿海的大風大浪,所以必須擁有較大的彈性係數已承抵身處的環境,而沿海嚴苛的生存環境也使馬鞍藤本身的濃度極高,所以易於吸水,使得水勢能較高。而我們亦於實驗中發現,經由公式的推導,某些植物由於處在土壤水分較低、空氣濕度極高的環境,在無法利用根部吸水的情況下,植物體將會啟動「葉片吸水系統機制」,而此機制與我們的水勢能、水流動方向及趨勢有很大的關聯性。

是蛇「飛」蛇-飛蛇滑翔的力學分析

本實驗探討飛蛇在滑翔的過程中,因為身體截面積改變及體態的S形彎曲,在流體動力學上的表現,對滑翔穩定性、持久性的影響。 透過飛蛇截面模型在鉛直集風箱與水平集風箱中以不同角度量測到的鉛直後曳力、升力及後曳力,推測飛蛇張開肋骨、腹部內凹的行為,有利於其滑翔。 最特別的是飛蛇滑翔時的寬長比。一般無翅膀的動物(如飛蛇、飛鼠、飛蛙)會張開四肢及薄膜以增大其寬長比,但飛蛇沒有四肢,反而加大其體態的S形彎曲來增加寬長比,由體態S形立體模型的實驗情況,當其寬長比在1 : 1 ~ 1 : 2之間時,會穩定的滑翔,且水平滑翔距離較長。 而飛蛇滑翔的過程中不斷擺動身體及轉動尾巴,推斷是有助於其滑翔的穩定性及定向性,實驗不易,暫留待續。

氣室如虹-蘆葦氣室與水流關係

水生植物細胞間隙較大,葉、莖、或根內部多具氣室,或在體外長有氣囊狀構造以增加浮力,故能在水中漂浮;在缺乏空氣的水中環境下,氣室有儲存氣體的功能,沈水、挺水植物使用氣室以儲存氣體提供呼吸作用;氣室亦扮演著增加浮力、隨環境變化平衡植物體的一個重要角色 本實驗研究對象為位於五股濕地的蘆葦,觀察其生長環境,記錄水深、水流相對方向、光照度及當時水溫並測量河水樣本酸鹼值,對水流、水深、環境變因設計實驗,採集不同環境之蘆葦樣本製作切片以顯微拍攝和軟體測量其氣室面積,分析蘆葦氣室大小、面積的變化。統計比較生長於不同環境造成的差異,以及環境、水流對於植株在不同位置時的氣室面積的變化,分析推論造成此結果之可能原因。

軌道下陷與車輛振動頻率偏移之探討

臺灣高速鐵路因地層下陷而有行車安全的疑慮,每年耗費數千萬來嚴密監測地層沉陷。 本沉陷的測量利用商務筆記型電腦中的加速度感測器,來記錄列車行進地層下陷處的電壓變化,透過QCN Live軟體轉換成加速度值,並分析高速鐵路經過地層下陷地點時的運動狀態,以耦合系統的物理模型並用KBM漸近法分析並描述得到資料與計算沉陷值。 透過全線測量,訊號的可靠性,高鐵苗栗麻園坑段反覆驗證,物理模型的適用和正確性,計算沉陷值,也在誤差的合理範圍內。 由此顯示,此沉陷的測量方法是可行的。尤其相對於傳統的人工測量方法,這個方法更有利於迅速地測量高速鐵路地層下陷,發現轉向架避震器的異常,防範事故於未然,更可節省大量的人力與物力。

一「碳」究竟

石墨烯是新興的奈米材料,其導熱、導電性能極佳,在新一代電子原件的製造上極具發 展潛力。若以傳統方式取得石墨烯十分不易,且在製成後又容易互相堆疊而回復成多層結構的石墨。經進行文獻回顧後發現:石墨烯可藉由化學方法,配置適當分散液,以超音波長時間震盪,直接由石墨原礦剝離進而取得,並均勻分散於溶液之中。此方式之製程較為簡單,且可避免其於生成後又再度相互堆疊。分散液在製程中是較易控制的反應物,適合進一步開發及應用。透過本研究之實驗, 80% N-甲基吡咯烷酮配合37000Hz的震盪頻率,震盪 8 個小時,石墨烯分散液的濃度可達到 246.5665ppm,產率約為 5%,有助於未來工業上的實際應用。 實驗步驟示意圖: