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利用杠杆原理制作的自动浇花系统的设计和原理

意念

很多人的家中都有种植小盆栽,藉此美化环境。香港人也爱出外旅行,例如美加、欧洲半月游。出门时间这麽长,家中的盆栽如何料理?如果数天不浇水,盆栽肯定会枯萎。

目的
本组师生在决定参加「第七届常识百搭科学专题设计展览」后,产生了一个意念,就是设计一个自动浇水器,每天自动浇花,让大家可以安心出外旅行。
原理
本设计是利用地心吸力──水向低流的原理运作。「来源水」放在高处,用软喉引导水流到盆栽,中途利用夹子控制水的流量,再加上利用槓杆做出「浇水」的动作,每隔一段时间,就有一定份量的水流到盆栽之中。
材料
 咪高峰座架、大胶瓶一个、蒸馏水胶瓶三个、漏斗一个、软喉、硬喉、小夹、竹枝、尼龙绳、黏贴用胶纸。
设计
 由于地心吸力作用,大水瓶内的水沿着软喉向下流到集水瓶中,而流量是用小夹夹着软喉来控制的。当集水瓶内的水增加至某重量时,便会失去平衡,槓杆向右倾侧,集水瓶内的水经由软喉注入漏斗中,水最后经过硬喉的出水孔流到各盆栽;另一方面,集水瓶内的水流失了,重量减轻,槓杆重回最初的位置,集水瓶又再次从大水瓶接载水……如此循环不息,直至大水瓶耗尽存水为止。
在试验过程中,有组员问为什麽要用槓杆?直接用软喉引导大水瓶内的水慢慢流到底部的硬喉,再经由出水孔流到各盆栽,岂不是更直截了当吗?但如果不用槓杆,水会集中在右边的孔流出来,右边盆栽会得到过量的水,而左边盆栽却得不到足够的水。
如果使用杠杆,集水瓶每次倒出大量的水,由于时间短促,水便不会集中在右边的孔流出来,再透过调整两孔的大小,以及硬喉的倾斜度,两盆栽便可以得到份量相近的水。本装置如果是向三至四盆栽供水,使用槓杆倒水便显得更为重要。利用杠杆原理制作的自动浇花系统的设计和原理

利用杠杆原理制作的自动浇花系统的设计和原理
(用槓桿倒水,出水量较大,倒水时间较短促)

利用杠杆原理制作的自动浇花系统的设计和原理
(调整出水孔大小以及硬喉水平斜度,可令两盆栽得到相近的水份)
过程

利用杠杆原理制作的自动浇花系统的设计和原理

一、 制作
由于本设计是利用地心吸力来达到自动浇水的目的,水源要于在高处,槓杆在中间,盆栽在最低点。这些东西都需要用一个「架子」来固定摆放。最后决定向校方借用咪高峰座架(如上图)来作「架子」。此外,为了方便製作,我们不用螺丝钉,改用尼龙绳和胶纸来黏贴以固定各零件。利用杠杆原理制作的自动浇花系统的设计和原理

用咪高峰座架来做架子,有三个好处:
容易收藏和携带;
槓杆支点顺滑,每当集水瓶储了相同水流方向份量的水,槓杆便会倾侧倒水;
展览完毕,咪高峰座架可以回复原来用途,不致造成浪费。
 二、 实验

本装置是利用地心吸力和槓杆原理来设计。扭开大胶瓶下面的绿色控流器,大胶瓶的水便沿着软喉流到集水瓶。集水瓶储藏一定量的水,便会向右倾侧注水到下面的漏斗中,最后经软喉和硬喉流到盆栽上。以下数点特别值得提出讨论:

利用杠杆原理制作的自动浇花系统的设计和原理(1) 在原来设计中,集水器是用一个杯子。固定在槓杆的右边,后来改用一个蒸馏水瓶代替杯子。每当瓶子收集得一定份量的水后,槓杆便会向右倾侧,将水倒在漏斗之中(如上图)。但后来发觉每次倒水时,总有部份的水倒在漏斗之外,效果欠佳, 所以改用软喉连接集水瓶瓶口(如右图),直接经软喉注水在漏斗之中。漏水问题才解决了。利用杠杆原理制作的自动浇花系统的设计和原理利用杠杆原理制作的自动浇花系统的设计和原理利用杠杆原理制作的自动浇花系统的设计和原理(2) 在原来设计中,架子最高点的大水瓶是用6公升蒸馏水瓶(左上图),但瓶子注满水后,重量太大,瓶子不胜负荷,逐渐变形,甚至有裂开的危险,所以后来改用较坚硬的大胶瓶,但储水量则减少了(右上图)。利用杠杆原理制作的自动浇花系统的设计和原理利用杠杆原理制作的自动浇花系统的设计和原理(3) 如何控制大胶瓶水的流量,是非常重要的事,如果处理不当,瓶内的水在半日就流光了,盆栽主人在十多天之后才回香港,到时盆栽可能已经枯萎了;又或者控制流量失灵,瓶内的水根本没有流到盆栽上,后果亦是相同。最初,我们利用文件夹(左上图),但发觉它的灵活性较低,而且容易损坏软喉,后来改用小型螺旋夹(名称自创)(右上图),效果好得多。最后发现用小型螺旋控流器效果更佳(左下图),大约24小时可排放出300毫升水(右下图)。利用杠杆原理制作的自动浇花系统的设计和原理利用杠杆原理制作的自动浇花系统的设计和原理(4)我们发现槓桿左边的两个水瓶储水越多,右边的集水瓶储水量也越多,但倒水的次数则减少。不过,大家都同意,盆栽在固定时间内得到多少水份,是由小型螺旋控流器(下图圆圈部分)来控制的。利用杠杆原理制作的自动浇花系统的设计和原理用途 现今人们都喜欢在家中种植盆栽,以美化环境。可是当我们在假期要外游数天时,谁可帮助我们浇灌盆栽,使它们继续生长呢?「自动浇水器」能按一定的时距自动浇灌多盆盆栽,让我们可以安心出门。 优点 环保:废物利用用料简单:材料简单灵活性强:容易调较水量及可浇灌多盆盆栽实用性高:能代替人力去浇灌盆栽使用安全:不用电力操作,运作简单 困难 

困难一:

最初设计的是大水瓶倒挂在咪架上,让水从瓶盖口经胶喉传至集水器。由于铁线绑着水瓶的底部会对底部,经一两天后,水瓶的底部被铁线弄致出现裂痕,长期下去,水瓶的底部会破裂而漏水。

改良方法:我们把大水瓶顺挂在咪架上,并在大水瓶钻孔插胶喉,让水传至集水器。

困难二:

在最初设计时,槓桿上的力点是放金属物品,可是发现很难调较与集水器的重量,以达至平冲。

改良方法:我们改用放两个小水瓶在力点位置上,这样就容易调较水量,以平衡集水器的重量。

困难三:

在最初设计上,槓桿上的集水器是用水杯,由于水杯口是向上,在运作时,水杯内的水实际上倒不进漏斗。

改良方法:我们改用一个中水瓶,把它横放,当水瓶达到一定的重量时,水很容易流进漏斗。

困难四:

我们改用中水瓶作为集水器后,发现水在流进漏斗的过程中,有部分的水向外溅出,这样除了很难估计浇灌植物的正确水量,还会弄湿地面。

改良方法:我们在中水瓶口插上胶口,并固定胶喉在漏斗中,确保水流进漏斗时,不会流失。

 总结 

「自动浇水器」的製作不算複杂,用料简单,可以废物利用,不但环保,灵活性也很高,只要我们调较适当的水量,并在最底的胶喉钻多个孔,便可以同时替我们自动浇灌多盆盆栽。

 感想 

我们很高兴有机会参与这次专题设计展览。在这次创作「自动浇水器」的过程中,我们透过多次的试验与探究,不但明白了很多科学原理,如地心吸力和槓桿原理,还训练了我们的解难能力,加强自信心,培养对科学探究的精神,并提高了逻辑思维的能力。

此外,在这次专题设计展览中,亦加深了我们的环保意识,更重要的是,我们学会了如何沟通和明白到团结协作的重要。总括而言,这次活动给予我们一次很宝贵的经验。

 鸣谢 

本校职员锺振声先生在今次专题设计展览中,无论在设计与製作方面,都作出很大的贡献,特此鸣谢!

 编者及评判的话 同学们对製成品的介绍及解说既详细又清楚。製作过程中进行过不同的测试,因此十分清楚製成品的运作与理念,很有探究精神。

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