2009年5月11日

漩之又漩—轉出來的學問


從一段網路上的影片,發展成一個完整的科展作品,原來漩渦現象的背後,竟有著精彩的科學故事。請與作者一同找出漩渦崩潰的祕密。

作者/宋俊毅(任教新竹女中)

國內對於中小學的科展一直相當重視,只是在過往考試取向的聯考制度下,學生做科展時往往不是很積極,尤其當科學的探討研究遭遇上小考或期中考時,往往只好把考試擺中間,而一個好不容易萌發的想法或動手做的衝動,也就此被壓抑,終被遺忘。所幸近年來多元入學方案的實施,申請與推甄入學的比例提高,科展競賽不再是與升學無關的「不務正業」,當學生對某種現象有興趣時,可以更放心的全力投入熱情與心力,得以體驗到自然界運作的奧妙。

由於每個人的時間與精力都是有限的,而任何一件科展作品,都是研究者花費無數時間與精力的寶貴結晶,所以能越早起步,可投入的心力越多。這方面,新竹女中有妥善的課程安排與優良的科展經驗傳承,因此庭安與靜瑤兩位作者,在高一便有與高二、高三學姊討論科展相關細節的機會。到了一年級下學期,她們便開始從網路、圖書館等多方收集資料、廣泛閱讀,希望能從中得到靈感。

但如大多數科展一般,萬事起頭難。在看過歷屆學姊作品與近年得獎的科展作品後,從學期中想到學期末,一直都沒有合適的題目,如時下一般學生的習慣,想到煩了……逛個網路吧!沒想到,題目在網上找到了,自從看到網路上「漩渦崩潰(vortex breakdown)」的影片後,兩人對如此美麗的現象深感著迷,就此展開專題研究。
高二開學後,為了能進行初步實驗,首要任務是先能重現網路上影片中的現象,換句話說,得要設計實驗步驟和挑選材料,讓漩渦崩潰現象最明顯,也最容易被觀察和記錄,這可不是件容易的事。

從將茶葉放入水中攪拌,到將墨汁滴入水中攪拌,甚至連將洗髮精放入水中與油中攪拌,簡直是無所不用其極(洗髮精這個神奇的選項會出現,是因為當時有另一組在作洗髮精的科展專題)。直到某一天,看到同學在喝綠茶,這才靈光乍現,決定把綠茶倒入油中,試一試效果如何。儘管乍聽之下,綠茶和油的組合有些噁心,但沒想到竟得到很好的結果。後來我們又將綠茶改為水,顏色對比的效果更加明顯,藉著油與水不互溶的特性、交界面間微小的懸浮物等因素的配合,終於得以順利觀察到液體中的渦流(vortex)與漩渦崩潰現象。

以上是實驗發想初期,所以多看多想之外就是多試。但當進入正式實驗階段後,一個完整的實驗流程、方法與決定實驗方向便是必須的了。幸運地,校內有經驗豐富的林智遠老師,他給了兩人許多建議,使兩人對研究有更正確的觀念,避免了許多初次做專題的學生容易犯的小錯誤。諸如紀錄不完整、書面紀錄用完即丟、儀器沒架好就興沖沖的做實驗等。更重要的是,林老師幫助兩位作者,找出研究主題的明確走向,讓實驗進行的過程能更踏實,也才能堅定地一步步摸索,得到目前的研究結果。當然,在提了如此多實驗前的甘苦談後,讓我們看看究竟兩位作者有了哪些有趣的發現。

當漩渦開始轉動

漩渦崩潰的現象其實在生活中隨處可見。到廟中拜拜時,將香插入香爐,雙手合十後,看著滿心的期望隨著香煙冉冉,先是筆直上升,到了某一個高度後,彷彿是上天收到了此一祈求,原本直線上升的煙倏地潰散,或四散、或迴旋上升,這個現象就稱為漩渦崩潰。事實上,不只在上升的煙中會看到漩渦崩潰現象,運動中的飛機、汽車、潛艇後端的氣流(水流)中;或者在引擎燃燒室中的氣體,入水口附近、河道中的水流,甚至是龍捲風中,都有機會看到這種漩渦崩潰的現象。正因為漩渦崩潰是如此經常地出現在日常生活裡,不論在理論上或實用上,研究與了解此現象都有其價值。【更詳細的內容,請參閱第473期科學月刊】

1 則留言:

匿名 提到...

真ㄉ咩???((好奇 ((掩面~~羞