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國際科展實況

蔡老師指導的科展不勝枚舉，列舉2012年台灣國際科學展覽參展案例，以供大家參考：

探討水的力量對大自然的影響及其防治之道

摘要

為了探究「水的力量」對大自然的影響，本組以 抽水馬達、水位控制器、連通管、三通開關、大塑膠盆及電子秤等儀器，組成 「水流沖力控制儀器」。實驗中：測得 水位高度和水速平方成正比，而與出水口孔徑大小無關；以直立電子秤測得 水的沖力與水速平方成正比；利用小石頭製成河床，並以密度與石頭相近的正立方體鋁塊受水流沖擊，推測出沖走 鋁塊的最大重量和水速四次方以上成正比；利用陶土混水製成不同密度的泥漿， 模擬土石流的流動情形。此外，設計了 梯形、倒梯形、河壩、倒河壩及丁壩等五種不同減速模組，測試發現 河壩型河道最能減緩水流速，明顯地降低水流的沖擊力；改做不同階梯密度的減速模組，並以軟體Tracker輔助分析，得知低密度階梯減速模組因為水流狀態的情形，所產生的減速效果最佳。

Abstract

In order to explore the impact of the water power on nature, our group assembles a water flow momentum regulator with a pump motor, a water-level regulator, a communicating pipe, a three-way cock, a big plastic tub and an electronic scale. The major findings of this experiment are summarized as follows. First, the height of the water level is proportional to the square of water velocity, that is not related to the size of the outlet aperture. Second, the force of water flow is proportional to the square of the water velocity. Third, the maximum weight of aluminum block which could be washed away is proportional to the fourth or higher power of the water velocity. Besides, the flow of landslide is simulated by mixing potter’s clay with water to make mud of different density.

In addition, five different velocity reduction modules, including trapezoidal, inverted trapezoidal, river dam, inverted river dam and spur dike, are designed. In this experiment, we observe that the river channel of river dam geometry is the most efficient to decrease the water flow velocity and reduce the impact of the water flow. Moreover, we examine the velocity reduction devices of different step density and analyze with the software Tracker. We observe that the velocity reduction modules of the trapezoidal with low step density produce the best effect to reduce the water flow velocity.

壹、前言

一、研究動機

民國98年8月的莫拉克颱風，連日豪大雨不停的沖刷，導致南台灣山區大規模的地層滑動、路毀橋斷，造成土石流，使得南部各地受到重創。今年日本東北地震引發的巨大海嘯，大量海水沖擊沿岸居民建築物，造成房屋倒塌流走及生命財產嚴重損害。基於這樣的現象，水的力量真的如此巨大嗎？本組想藉由此次科展的機會來研究水流速度與沖擊力的關係，並嘗試模擬土石流的情形，研究不同密度液體的水流力量。並思考如何降低水的流速，以減少水流對自然生態的破壞。

圖1-台東太麻里慘遭土石流淹沒
圖2-海嘯重創日本

二、研究目的

為了探討土石流沖擊石頭的力量，先利用簡單的理論模型推導水的流速與沖力的關係，及固定流速下所能推動石頭的最大重量，再著手設計實驗，並將實驗結果與理論相互驗證。

  • 1、探討土石流沖擊石頭的力量。
  • 2、設計水流沖力控制儀器。
  • 3、探討不同水位高低及出水口孔徑大小對水流速之影響。
  • 4、探討不同水位高低及出水口孔徑大小對水的力量之影響。
  • 5、探討水的流速與所能推動鋁塊最大重量之關係。
  • 6、探討不同密度泥漿的流速與所能推動鋁塊最大重量之關係。
  • 7、探討各式減速模組降低水流速度的原因及應用。

    •  

    陸、結 論

    每當颱風或大雨一來，連日豪大雨不停的沖刷，山區大規模的地層滑動、路毀橋斷，造成土石流，湍急的河流可以沖垮橋墩，帶走巨大的石頭，從電視新聞就可以看見很大的石頭被大雨沖下山谷。本研究模擬大雨時河水的流速很大時，究竟能沖走多大的石頭。為了瞭解這個問題，我們設計了幾個實驗，研究水位高低與水管流量和流動速度的關係，研究高低水位對不同水管大小流速的影響，並且研究不同水速度的沖擊力量。本實驗研究有幾項重要的結論：

  • 一、實驗發現水位高度越高，水量越大越快，流速越大，力量也越大，可以沖走越大的石頭；而且液體密度越大，其衝擊石頭的力量也越大，這也代表大石頭能被快速的土流在河水的沖擊下不斷地翻滾而被沖走，大量的土流從山上流下來，一開始只帶走細砂石，但水流越快，流動的液體整體的密度也越大，就如雪滾般的越滾越大，力量也越大，可以把巨大石頭沖走。
  • 二、利用不同水位設計和不同孔徑的出水口測得，水位高度和水速平方成線性關係，與出水口孔徑大小無關。
  • 三、利用直立電子秤測得水的沖力與水速平方成正比。
  • 四、實驗發現水流速度只要增加一點點，則可沖走的很大的石頭重量。理論上水速的六次方與翻滾石頭重量成正比。但從實驗圖形預估至少和水速的四次方以上成正比，這個結果告訴我們水的速度是造成的災害得原凶。因此要如何降低水的速度，防止大石頭被沖走，這將是降低災害的重要課題。
  • 五、為了降低河流的水速，減少災害，本組測試五種減緩河道水速的設計模組：梯形、倒梯形、河壩、倒河壩及丁壩，並與單純的河道比較。實驗結果發現河壩型的減速效果最佳，梯形水道減速模組次之，丁壩水道減速模組略遜一籌，但其效果都比單純的水道好。
  • 六、水流在流經河壩型的減速模組時，水流會積存在河壩底部行成漩渦，且水流由河壩頂端跌落至底部，會損失動能，因而降低流速。梯形模組之所以會減速則是因水流由上層階梯流至下層階梯時，會撞擊下層階梯而減低能量，因而減緩流速。而丁壩會減速則是因為水流會因丁壩的影響而產生漩渦，因而減少能量，使流速減緩，但效果並不比前兩種類型好，可是因為只佔用部分河道，有利於魚類洄流，對生態的影響較低。
  • 七、在固定高度及長度的條件下，階梯數越少的梯形減速模組減速效果越佳，因為水流較易以落下流狀態來流動，但不利於自然生態的維護；而階梯數越多越易使水流以平面流狀態來流動，減速效果較差，尤其是大雨來時，河水流量及流速激增，會容易使多階的梯形減速模組喪失功能，所以必須根據溪流的狀況來決定梯型減速模組的階數密度。
  • 八、使用物理動態軌跡分析技術，可以清楚的了解到水流受到減速模組的影響，確實是階梯密度越低，減速效果越佳。另外此技術可以提供人們進行關於水流方面的實驗，或是應用到分析大自然溪流的流動狀態，更進一步設計出觀察河流流速過大的警報器。
    • 歷年指導全國科展成績表
    資料來源：內容及圖片由蔡老師提供，本組隊員彙整打字及修圖。