利用杠杆原理制作的自动浇花系统的设计和原理

小实验 / 作者:豆腐干 / 时间:2015-08-29 03:41:48 / 19526℃
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,大水瓶内的水沿著软喉向下流到集水瓶中,而流量是用小夹夹著软喉来控制的。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。


(用槓桿倒水,出水量較大,倒水時間較短促)


(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

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。

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,大胶瓶的水便沿著软喉流到集水瓶。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:

(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。
(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)。
(3) 如何控制大膠瓶水的流量,是非常重要的事,如果處理不當,瓶內的水在半日就流光了,盆栽主人在十多天之後才回香港,到時盆栽可能已經枯萎了;又或者控制流量失靈,瓶內的水根本沒有流到盆栽上,後果亦是相同。最初,我們利用文件夾(左上圖),但發覺它的靈活性較低,而且容易損壞軟喉,後來改用小型螺旋夾(名稱自創)(右上圖),效果好得多。最後發現用小型螺旋控流器效果更佳(左下圖),大約24小時可排放出300毫升水(右下圖)。
(4)我們發現槓桿左邊的兩個水瓶儲水越多,右邊的集水瓶儲水量也越多,但倒水的次數則減少。不過,大家都同意,盆栽在固定時間內得到多少水份,是由小型螺旋控流器(下圖圓圈部分)來控制的。
用途
 現今人們都喜歡在家中種植盆栽,以美化環境。可是當我們在假期要外遊數天時,誰可幫助我們澆灌盆栽,使它們繼續生長呢?「自動澆水器」能按一定的時距自動澆灌多盆盆栽,讓我們可以安心出門。 
優點
 環保:廢物利用用料簡單:材料簡單靈活性強:容易調較水量及可澆灌多盆盆栽實用性高:能代替人力去澆灌盆栽使用安全:不用電力操作,運作簡單 
困難
 

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,我們學會了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。
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