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物理科

以管窺波--探討壓力波在彈性管中的振盪效應

參考資料二的水錘實驗是探討充水剛性管壓力波的強度及週期;參考資料六的實驗是以距離除以時間求充水軟性管的波速;而高中共鳴空氣柱的實驗為空氣在剛性管中形成駐波,本實驗經由理論分析重新整理後,推論當波動在充填流體的彈性管中產生振盪時,為流體的彈性與管的結構、彈性在徑向上的串聯效應。 本實驗將彈性管充滿水置於木架上,一端接上注射針筒,另一端接上水箱。擠壓注射針筒產生波動,藉由感測器記錄波形讀取振盪時間,改變不同的變因,實驗數據支持理論分析。 最後利用理論計算出空氣在矽膠管共鳴時的波速是由空氣及管共同決定的,故波速小於(331+0.6t) m/s,實驗數據支持此推論,可知形成駐波的頻率,不只與管長有關,也與管徑、管壁厚度、材料有關。

Experimental Study on Self-designed Multi-layer-tank Water Damper for Mitigation of Structural Response

自製震動台模擬建築物受力時的振動模式;另設計多層容器(Multi-layer-tank)盛水的液體形式阻尼器,探討Depth Ratio(水深/容器長)、振幅、Mass Ratio(水質量/總質量)對減振效應的影響。實驗方法以「振動參數」(週期、衰減係數、時間)量化減振效應。調整Depth Ratio使水自然擺盪週期(Tn)接近震動台週期(TV)(PR = Tn / TV≒1),易產生碎波現象(wave breaking),造成系統能量消散,減振效應顯著。震動台振幅越大,碎波發生可能性越高,減振效應也越佳。且當PR≒1時,Mass Ratio變化對減振效應影響不顯著;若PR≠1,當Mass Ratio = 4.63 %,減振效應最顯著。實驗證實調整多層容器盛水液體阻尼器的特定參數,可有效達到減振效果。

開不開,有學問-皮鞋開瓶塞研究

一則網路影片用皮鞋開酒瓶塞,引起我們的好奇,背後的原理和影響因素是什麼?經討論及資料蒐集,設計實驗並自製撞擊器來控制撞擊力,希望找出原理和影響的因素。發現:撞擊力須透過液體傳遞,且液體量要足夠;撞擊頻率高有較佳的瓶塞移動效率;撞擊力傳遞至瓶塞須大於瓶塞及瓶口間的阻力才能使瓶塞移動;瓶身角度須水平置放;墊子的緩衝性太好會吸收撞擊力,可能無法克服瓶塞的摩擦力;不同材質及不同表面性質的瓶塞會影響瓶塞移動的成功率;容易產生氣泡的液體,瓶塞移動成功率較好,黏滯性高的液體則較差。瓶塞移動的主要因素是靠撞擊力的傳遞來推動瓶塞,可以用流體力學的白努利定律來分析,而空蝕現象的發生則有助於瓶塞的移動。

飄飄欲仙

本研究是利用風洞裝置觀察球體下落時,後曳力減緩球體下落的現象。並研究球體終端速率與截面積、質量、外在流體溫度的各種關係。並且利用風洞設備研究兩球體下落時,下方下落球體所產生的尾流對上方球體下落的影響。我們測量了球體下落時位置、速度、流體溫度等。依據實驗的結果,我們得到了以下推論:一、風洞可使自由落體中的物體運動減慢,方便觀察終端速率。二、乒乓球終端速率測量9.2m/s,因為測量方式造成的誤差略高於理論值8.89m/s。三、保麗龍球終端速率測量略低於理論值,但十分接近,證明本方法可用於測量終端速率四、兩球體下落追逐時,位於上方球體在接近過程中會受尾流影響造成下落情形改變五、溫度降低時,球體下落終端速率會略微升高,但下落情形較為穩定。六、溫度降低時,球體的尾流長度會略為縮短,但尾流會較不明顯

以柔克剛

起跳後落地時,腳要做『緩衝動作』,這是一種以柔克剛的方法。起跳後落地時,腳會自然的彎曲,但是:一、高度越高衝力越大嗎?二、為什麼要有這些彎曲關節的動作呢?三、落地時,腳接觸在比較有彈性的地面上,能夠減緩衝力嗎?

水中溶氧度的探討

我們利用影響水中溶氧量的主要原因有:溫度、壓力及液體的亂度。因而自製一台增加壓力、減少水亂度的『高溶氧機』。高溶氧機的製造方式,是利用抽水馬達在抽水的過程中,我們在馬達前方的水管上加裝了一支氣體流量計,利用氣體流量計的進氣口吸入少量氣體經壓力瓶的加壓及減壓閥的釋壓使氣體擴散之後,即可得直徑小於0.5 mm之細微氣泡,其氣泡相當細膩的在水中均勻擴散後使得水變成牛奶般的雪白。而加裝氣體流量計的用意除此之外,還可調整進入的氣體量,以達到最高的溶氧效果。此高溶氧機由於摒棄傳統以空壓機打入空氣之方法,不但減少設備的佔地面積,在管理及維護上也相當的方便,且其所產生出來的微小氣泡更能均勻的分布在水中,也就因為它的氣泡非常的微小且均勻,因此使得它在水中的停滯時間長達十多分鐘以上。總而言之,高溶氧機的優點有:一、省電省金錢:傳統打水車三分地需就用到四台打水車,而高溶氧機只要一台就搞定它。二、水中溶氧大大提高:養殖池溶氧量增加一倍,與打水車相較溶氧量增加約 100%~200%。三、節省能源:超級微小氣泡,在池底多停留 20min,可增長溶氧時間,節省大量電費。四、安全可靠:以水的流速吸入空氣,所以壓力不會超過最大出水壓力,沒有爆裂的危險。五、增加漁獲量:適合魚蝦養殖的底棲息性,避免害菌滋生、活化水資源、減少魚蝦得病率、大大降低魚蝦之死亡率,因而提高漁民的漁獲量。

神奇的殊途「同」歸—探討不同變因對於節拍器達到同步時間的影響

從影片看到多個節拍器,在數分鐘後,居然可以同步,好奇的我們開始構思適合的實驗裝置,探討影響同步時間的可能原因,最後整理出節拍器、吊線及板子三項因素。 在節拍器因素方面,我們發現節拍器越多、頻率越低、擺放間距越大、間距中心偏移越多,都會讓達到同步的時間增加。而且多個節拍器不同的撥法、擺放形狀都會影響同步的時間。 在吊線因素方面,吊線越長、越細、吊線材質較軟、固定位置越靠近板子中心、與板子間的夾角越大,也會讓節拍器同向同步的時間拉長。但從50度角減少時開始產生反向同步的現象。 至於板子因素,板子越重、表面材質摩擦力越大,會讓節拍器同步的時間增加,但相同重量時,板子厚度及材質並不會影響節拍器同步的時間。

橢球內部液體對其穩定度之影響

本實驗以空心的橢球,在其內部填充液體物質,對照內部為固體、空氣的情形,探討不同的容量、不同的轉速、不同的接觸面,與橢球長軸等變因對穩定性(註)之影響,結果發現穩定度隨模型內填充的液體體積的增加而呈現下降情形,並且得到其他變因的影響程度。(註:穩定度(性):橢球模型旋轉自一定轉速並釋放,因摩擦而其長軸由垂直水平面逐漸變為平行水平面的時間,以秒數表示)。

薄得好自在~烷類液滴於水面上之動態研究

奈米時代中半導體?業的關鍵薄膜技術是國家經濟命脈之一大要素,本研究希望藉由觀察烷類薄膜在水上的整個動態過程入手,深究其力學原理,亦即烷類液滴在水面上擴散時,薄膜的受力情形及前緣運動狀態並加以推廣,探討不同液量及混合溶液時,對擴散運動之影響;進而分析水道及廣域水面之間之差異,而能推廣瞭解薄膜動態分佈之物理機制。研究發現:造成薄膜擴張的因素,是烷類對水的附著力以及烷類本身重力與水之表面張力所造成的壓力差,會使薄膜向外擠壓擴張。又因?薄膜厚度的改變,使薄膜表層與水面之間的夾角變小,進而能增大薄膜前緣的內聚力的合力,以平衡水分子對其之附著力;也因?夾角的不同,所受到來自水的附著力之方向就不一樣,因此使得加速度值?生變化。本實驗使用之烷類--正己烷及正庚烷,滴在水面後的瞬間就立刻向外擴張,原有類似汽油的色澤亮帶隨即消失,依據薄膜干涉原理--得知薄膜在短時間(0.5~1.5 秒)內,其厚度降至 20000 nm 以下,但正辛烷因無擴張,其厚度太厚無色階之出現。未來將更進一步探討不同粉末、水溫、氣溫及水道材質對擴散的影響。應用於工業上,能使薄膜覆蓋之技術更臻精確完美。于日常中,亦可用於汽油品質之檢定。

慢慢高升

有關悶熄蠟燭後水面上升之現象,對於其原理解釋,本小組認為有問題,經一連串實驗發現,水面上升第一階段是因為空氣「熱脹冷縮」所導致,第二階段水面上升則是因為二氧化碳容易溶解於水,蠟燭熄火之後 3 分鐘之內都屬於第一階段,本研究發現許多教科書對於原裡的解釋有誤,本研究同時發現一種方法可使蠟燭悶熄後水位上升最高達 80﹪。