利用槓桿原理製作的自動澆花系統的設計和原理
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很多人的家中都有種植小盆栽,藉此美化環境。香港人也愛出外旅行,例如美加、歐洲半月遊。出門時間這麼長,家中的盆栽如何料理?如果數天不澆水,盆栽肯定會枯萎。
目的本組師生在決定參加「第七屆常識百搭科學專題設計展覽」後,產生了一個意念,就是設計一個自動澆水器,每天自動澆花,讓大家可以安心出外旅行。
原理
本設計是利用地心吸力──水向低流的原理運作。「來源水」放在高處,用軟喉引導水流到盆栽,中途利用夾子控制水的流量,再加上利用槓桿做出「澆水」的動作,每隔一段時間,就有一定份量的水流到盆栽之中。
材料
咪高峰座架、大膠瓶一個、蒸餾水膠瓶三個、漏斗一個、軟喉、硬喉、小夾、竹枝、尼龍繩、黏貼用膠紙。
設計
由於地心吸力作用,大水瓶內的水沿著軟喉向下流到集水瓶中,而流量是用小夾夾著軟喉來控制的。當集水瓶內的水增加至某重量時,便會失去平衡,槓桿向右傾側,集水瓶內的水經由軟喉注入漏斗中,水最後經過硬喉的出水孔流到各盆栽;另一方面,集水瓶內的水流失了,重量減輕,槓桿重回最初的位置,集水瓶又再次從大水瓶接載水……如此迴圈不息,直至大水瓶耗盡存水為止。
在試驗過程中,有組員問為什麼要用槓桿?直接用軟喉引導大水瓶內的水慢慢流到底部的硬喉,再經由出水孔流到各盆栽,豈不是更直截了當嗎?但如果不用槓桿,水會集中在右邊的孔流出來,右邊盆栽會得到過量的水,而左邊盆栽卻得不到足夠的水。
如果使用槓桿,集水瓶每次倒出大量的水,由於時間短促,水便不會集中在右邊的孔流出來,再透過調整兩孔的大小,以及硬喉的傾斜度,兩盆栽便可以得到份量相近的水。本裝置如果是向三至四盆栽供水,使用槓桿倒水便顯得更為重要。
(用槓桿倒水,出水量較大,倒水時間較短促)
(調整出水孔大小以及硬喉水平斜度,可令兩盆栽得到相近的水份)
過程
由於本設計是利用地心吸力來達到自動澆水的目的,水源要於在高處,槓桿在中間,盆栽在最低點。這些東西都需要用一個「架子」來固定擺放。最後決定向校方借用咪高峰座架(如上圖)來作「架子」。此外,為了方便製作,我們不用螺絲釘,改用尼龍繩和膠紙來黏貼以固定各零件。
用咪高峰座架來做架子,有三個好處:
容易收藏和攜帶;
槓桿支點順滑,每當集水瓶儲了相同水流方向份量的水,槓桿便會傾側倒水;
展覽完畢,咪高峰座架可以回覆原來用途,不致造成浪費。
二、 實驗
本裝置是利用地心吸力和槓桿原理來設計。扭開大膠瓶下面的綠色控流器,大膠瓶的水便沿著軟喉流到集水瓶。集水瓶儲藏一定量的水,便會向右傾側注水到下面的漏斗中,最後經軟喉和硬喉流到盆栽上。以下數點特別值得提出討論:
困難一:
最初設計的是大水瓶倒掛在咪架上,讓水從瓶蓋口經膠喉傳至集水器。由於鐵線綁著水瓶的底部會對底部,經一兩天後,水瓶的底部被鐵線弄致出現裂痕,長期下去,水瓶的底部會破裂而漏水。
改良方法:我們把大水瓶順掛在咪架上,並在大水瓶鑽孔插膠喉,讓水傳至集水器。
困難二:
在最初設計時,槓桿上的力點是放金屬物品,可是發現很難調較與集水器的重量,以達至平衝。
改良方法:我們改用放兩個小水瓶在力點位置上,這樣就容易調較水量,以平衡集水器的重量。
困難三:
在最初設計上,槓桿上的集水器是用水杯,由於水杯口是向上,在運作時,水杯內的水實際上倒不進漏斗。
改良方法:我們改用一個中水瓶,把它橫放,當水瓶達到一定的重量時,水很容易流進漏斗。
困難四:
我們改用中水瓶作為集水器後,發現水在流進漏斗的過程中,有部分的水向外濺出,這樣除了很難估計澆灌植物的正確水量,還會弄濕地面。
改良方法:我們在中水瓶口插上膠口,並固定膠喉在漏斗中,確保水流進漏斗時,不會流失。
總結「自動澆水器」的製作不算複雜,用料簡單,可以廢物利用,不但環保,靈活性也很高,只要我們調較適當的水量,並在最底的膠喉鑽多個孔,便可以同時替我們自動澆灌多盆盆栽。
感想我們很高興有機會參與這次專題設計展覽。在這次創作「自動澆水器」的過程中,我們透過多次的試驗與探究,不但明白了很多科學原理,如地心吸力和槓桿原理,還訓練了我們的解難能力,加強自信心,培養對科學探究的精神,並提高了邏輯思維的能力。
此外,在這次專題設計展覽中,亦加深了我們的環保意識,更重要的是,我們學會瞭如何溝通和明白到團結協作的重要。總括而言,這次活動給予我們一次很寶貴的經驗。
鳴謝本校職員鍾振聲先生在今次專題設計展覽中,無論在設計與製作方面,都作出很大的貢獻,特此鳴謝!
編者及評判的話同學們對製成品的介紹及解說既詳細又清楚。製作過程中進行過不同的測試,因此十分清楚製成品的運作與理念,很有探究精神。- 文章版權屬於文章作者所有,轉載請註明 https://zhizuowo.com/ertong/xiaoshiyan/rvymk.html