針筒幫浦

出自 全民科學平台
於 2019年12月12日 (四) 03:14 由 張又懿 (對話 | 貢獻) 所做的修訂 (原理)
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原始設計者:鄭瑋凌;羅芳晁

簡介:

用針筒製作抽水幫浦,可了解其機械原理,是藉由幫浦內體 積之改變、造成氣體壓力的變化,以達到抽水的目的。此外我們也可用打氣加壓的方式將水擠出,達到另類的『抽水』效果。

目的

用針筒製作抽水幫浦,可了解其機械原理,是藉由幫浦內體積之改變、造成氣體壓力的變化,以達到抽水的目的。此外我們也可用打氣加壓的方式將水擠出,達到另類的『抽水』效果。

原理

如圖 1 所示,針筒幫浦有一個進水孔:洞孔 A,和一個出水孔:洞孔 B,藉由閥門的設計,當壓下針筒活塞時,水擠壓閥門 A堵住洞孔 A,閥門 B 則會被水推開,故水只能從洞孔 B 流出。反之,當上拉針筒活塞時,閥門 A 會被往上吸而開啟洞孔 A,閥門 B則會被吸入而關閉洞孔 B,此時水只從洞孔 A 流入。(裝置圖僅供;參考,洞孔位置、閥門設計方式可自行設計。)

使用針筒幫浦抽水時裝置如圖 2,將洞孔 A 接到水瓶 P 內,若上拉針筒活塞,使封閉的針筒內氣體體積增加,則由波以耳定律知筒內氣體壓力會減少,故水瓶 P 與針筒內之氣體壓力差會向上將水擠到針筒內。當針筒吸滿水後,向下推動針筒活塞,筒內的水會擠壓閥門而封閉洞孔 A,打開洞孔 B,則水便會由洞孔 B流出來。

另一種抽水方式如圖 3 所示。將針筒抽水裝置的洞孔 B 接在水瓶 R 的打氣孔內,藉著活塞的抽壓作用,把氣體壓入瓶內,即可使 R 瓶內的水被壓入 S 瓶內,而進行抽水作用。

活動一:傳統抽水機

場地需求

桌子。電源(電子秤用)。

使用器材

  1. 大會器材:每隊:針筒(20mL)4 支。共用:電子秤(可秤 10kgw)。
  2. 自備器材:每隊:乾淨的 5000mL 寶特瓶(直徑約 14~17cm,高約 32cm)含蓋與提把共 4 瓶。氣球棒,水管,抹布數條,膠帶,黏著劑,工具,閥門材料,漏斗(倒水用)…等。

以上活動一、活動二共用。

製作說明

各參賽隊伍於規定時間內(參考五、競賽時間),現場製妥4 個針筒幫浦,並將事先備妥的空保特瓶 P 在現場裝水(水量上限 5000 毫升),再把另一空保特瓶 Q,全部一起帶到競賽區供活動一使用。製作時還請注意下列事項:

  1. 幫浦操作過程規定只能藉由拉壓針筒活塞來控制閥門的開關。比賽時,手只能碰觸針筒和其活塞,不得碰觸瓶子。
  2. 兩個閥門製作的方式不限(參考附件一),但需自製,不得整組使用市售成品。
  3. 閥門應在競賽製作時間內現場組裝。
  4. 寶特瓶身不可破壞。
  5. 每個幫浦抽水到 Q 瓶均應使用水管連接,比賽時每條水管需能固定在 Q 瓶上,固定裝置須牢靠但易裝卸,且出水口在瓶內,出水口之水平高度應高於 P 瓶內的水面。

競賽說明

  1. 流程
    1. 競賽前由裁判使用電子秤,先測量 Q 瓶的重量為 W1。
    2. 記錄好 W1後,在裁判同意下,各隊 4 位參賽人即可立即分別將其幫浦的抽水孔插入 P 瓶;而出水管全都連接到 Q 瓶口內固定好。
    3. 競賽開始時,在裁判號令下,計時 30 秒內,參賽者個別操作其幫浦將 P 瓶內的水抽至 Q 瓶中。
    4. 計時結束,參賽者應立即停止抽水動作,接著測量 Q 瓶的總重量為 W2。
    5. 最後,用公式 V=W2-W1 計算抽水量(記錄時以 100 公克計,100 公克以下尾數無條件捨去),為本活動得分。
  2. 競賽注意事項
    1. 比賽時間終了,參賽者須立刻停止動作,否則得分扣 50分。
    2. 操作途中若寶特瓶翻倒使水漏出,則該隊立刻停止比賽,其抽水量成績仍以公式 V=W2-W1計算,但得分扣 60 分。
    3. 若操作針筒幫浦時會漏水、或從縫隙噴水,則該針筒應遵從裁判指示立即停止操作(不遵守指示者,取消參賽資格),但同隊其餘針筒仍可繼續進行比賽。一個針筒漏水,本項活動得分扣 1 分。
    4. 只能使用大會指定的水源,不可添加其他物質增加重量。針筒活塞不可另外塗抹潤滑油等物質。
    5. 比賽前針筒和閥門應擦乾以免誤判為漏水。

評分標準

得分=V-扣分。

計分方式

按評分標準之得分計算式,依高低排序後,再以六等第計分法(表一)計分,得 x 分。

名次
隊數 1 3 6 10 15 其他
得分 30 21 15 12 9 6

活動二:打氣式抽水機

場地需求

桌子。電源(電子秤用)。

使用器材

同活動一。

製作說明

各參賽隊伍於規定時間內(參考五、競賽時間),於現場製妥 4 個針筒幫浦(與活動一共用),另外也要把事先備妥的空保特瓶 R 裝水(水量上限 5000 毫升)及在瓶蓋上打洞(洞數不限),再把另一空保特瓶 S,全部一起帶到競賽區供活動二使用。製作時還請注意下列事項:

  1. 幫浦操作過程規定只能藉由拉壓針筒活塞來控制閥門的開關。比賽時,手只能碰觸針筒和其活塞,不得碰觸瓶子。
  2. 兩個閥門製作的方式不限(參考附件一),但需自製,不得整組使用市售成品。
  3. 閥門應在競賽製作時間內現場組裝。
  4. 寶特瓶身不可破壞或擠壓變形。
  5. R 瓶抽水到 S 瓶應使用水管連接,並將出水口固定在在 S 瓶內,出水口之水平高度應高於 R 瓶內的水面。
  6. R 瓶蓋應在現場打洞不可事先加工,但可多準備幾個瓶蓋備用。

競賽說明

  1. 流程
    1. 競賽前由裁判使用電子秤,測量 S 瓶的重量為 W3。
    2. 記錄好 W3後,在裁判同意下,各隊 4 位參賽者即可立即分別將其幫浦的打氣孔接上 R 瓶蓋(或於製作時間內將裝置連接好);R 瓶蓋出水管固定在 S 瓶口,固定裝置須牢靠但易裝卸,其水管出口必須高於在 R 瓶內的水面。
    3. 競賽開始時,在裁判號令下,計時 2 分鐘內,參賽者利用針筒幫浦將 R 瓶內的水用打氣加壓的方式抽至 S 瓶中。
    4. 計時結束,參賽者應立即停止抽水動作,接著測量 S 瓶的重量為 W4。
    5. 最後,用公式 V=W4-W3 計算抽水量(記錄時以 100 公克計,100 公克以下尾數無條件捨去),為本活動得分。
  2. 競賽注意事項

除了不可擠壓 R 瓶身以外,其餘規定同活動一。

評分標準

得分=V-扣分。

計分方式

按評分標準之得分計算式,依高低排序後,再以六等第計分法(同表一)計分,得 y 分。

名次
隊數 1 3 6 10 15 其他
得分 30 21 15 12 9 6

競賽時間

  1. 製作時間:16 隊共用 20 分鐘的時間完成下列製作。
    1. 每隊在現場共製作 1~4 個針筒幫浦,同時用於活動一和活動二。
    2. 將自備的 4 瓶寶特瓶分為 P、Q、R、S(請事先用油性筆寫或貼防水標籤記號)。其中 P 瓶裝水(水量上限 5000 毫升)、Q 瓶為空瓶,供活動一使用。活動二則使用裝水的 R 瓶(水量上限 5000 毫升)和空瓶 S、其中 R 的瓶蓋規定在現場鑽洞(洞數不限)。
    3. 評審時間:活動一與活動二,同時分組進行,時間共 50 分鐘。
    4. 注意:本項活動必須在 70 分鐘內完成。

總成績

將所有隊伍之活動一與活動二的成績,分別以六等第計分得x 與 y 後,x 與 y 相加即得 z,按 z 的高低排序,再依六等第計分法計分所得名次即為本項目成績。最高分者若不只一隊則以活動二成績較佳者為第一名,可獲單項冠軍。

活動三:創意競賽

競賽說明

製作方式、材料不限,但需利用體積變化以改變壓力來達到抽水之目的。

評分標準

創意 30%、功能(實用、美觀、趣味、製作精細度)40%、文案 30%,總分最高者頒發創意獎。此項評分獨立計算,不列入總成績內。

說明書

文字 200 字以內,並文字、解說圖與照片以兩張 A4 紙內完成。說明書包括設計原理、功能與特點(包括創意),於報到時一併繳交。

器材總表

活動項目 品名 規格 數量
活動一與活動二大會提供器材 針筒 (20ml) 四支
活動項目 品名 規格 數量
活動一與活動二建議自備器材 寶特瓶 乾淨的 5000mL(直徑約 14~17cm,高約32cm)含蓋與提把 4 瓶
氣球棒 不拘 數條
水管 不拘 數條
抹布 不拘 數條
膠帶 一般型式 數個
黏著劑 不拘 數個
閥門材料 各式 數個
漏斗 (一般方便倒水用即可) 一個

◎大會共用器材:電子秤(可秤 10kgw)。材料採購請參考附件二。

給評分及參賽者者的建議

給評分者的建議:

  1. 現場可準備大垃圾桶裝水,每隊裝水時使用同樣的 5000 毫升容器。又每個評分區可準備大水盆以防範寶特瓶翻倒。
  2. 競賽場地可不用桌子,可在地板進行活動。
  3. 比賽進行中,若參賽者需要,裁判需幫忙扶住瓶口。
  4. 參賽者製作幫浦閥門時,需注意並確認是當場製作、組裝,無整組使用市售成品。

給參賽者的建議:

  1. 針筒製作時,各零件連接的緊密度很重要,務必多加嘗試各種材料、連接方式。
  2. 活動二中 R 瓶的密閉效果也很重要。打洞時要慢慢擴大,以免影響密閉效果。
  3. 可用三通管(或多通管)連接水管。在五金百貨行或水族用品店可購得。

附件一:閥門 B 的參考製作方式 B 的參考製作方式

材料:

  1. 適當厚度的硬塑膠管(例如:原子筆管)兩段。
  2. 可與硬塑膠管緊密連接的水管一段。
  3. 閥門材料:BB 彈一顆或軟墊片。

(二)作法:參考圖 4

  1. 其中一段塑膠管的一端使其平整。
  2. 另一段塑膠管的一端使其凹凸不平。
  3. 用適當的水管連接兩段硬塑膠管,將閥門 夾在兩塑膠管中間。
  4. 調整兩塑膠管的距離。

附件二:備註(特殊器材採購地點或其他需要告知之事項 (特殊器材採購地點或其他需要告知之事項)

  1. 採購材料時請選用不附針頭的針筒。
  2. 針筒的頭(圖一中的孔洞 A)要能與汽球棒和 2 分水管緊密

結合。