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和鳥類學飛翔,讓人類學會飛行奧秘——《天才達文西的科學教室:像科學家一樣,發明、創造和製作STEAM科展作品》

快樂文化
・2021/01/30 ・3697字 ・閱讀時間約 7 分鐘 ・SR值 512 ・六年級

飛行的物理學

「觀察在稀薄高空中飛翔的老鷹,牠的翅膀是如何鼓動著空氣,讓沉重的身體得到支撐。物體對空氣施加的力量,等於空氣對物體施加的力量。」15 世紀末,達文西在筆記本如此寫道。達文西僅憑觀察,就掌握飛行的原理了。

飛行的原理讓達文西深深為之著迷。他發明人力驅動的飛行器,試圖證明人類能否飛上天,還設計人類可以操縱的翅膀。他仔細研究飛行中的鳥,並且提出飛行的假說:「鳥類張開寬寬的翅膀,加上短短的尾巴,準備起飛,」他接著寫道,「鳥類必須用力抬起翅膀,然後放下翅膀拍動下方的空氣。」

金鵰的翅膀善用空氣分子,身體起飛與降落。圖/天才達文西的科學教室

上圖的金鵰比空氣重,但是翅膀造形卻能善用空氣分子,讓身體起飛與降落。金鵰飛行的時候,你認為氣流通過翅膀上方與下方時,哪邊的速度較快?量量看, 1 公尺有多長,是金鵰身體的長度;再量量看 23 公尺有多長?這是牠的翅膀展開的長度!再想像一下:金鵰拍動翅膀、凌空起飛的模樣。你認為翅膀上方還是下方的氣壓比較大?可以解釋原因嗎?

達文西的《鳥類飛行手稿》。圖/天才達文西的科學教室

上圖的字跡與插圖,出自達文西的《鳥類飛行手稿》 (Codex on the Flight Of Birds)。他的研究,造福許多後世的科學家,包括丹尼爾•白努利 (Daniel Bernoulli)。他在 1738 年解釋了空氣流動的科學原理。

白努利認為:鳥類飛行時, 因為翅膀結構的關係,空氣通過翅膀上方的速度較快, 使得氣壓較低,而空氣通過翅膀下方的速度較,使得氣壓較高。翅膀上方與下方的壓力差,進而造成了升力。

編按:解釋飛機能升空飛行的物理概念,除了白努利概念外,尚有其他因素,例如飛行時的角度、飛機造形和其他效應等。

有許多物理概念可以解釋飛機能升空的原因。圖/天才達文西的科學教室

飛機為什麼可以在天上飛?

開始調查吧!

我們蒐集資訊,一起設計翅膀,就跟達文西一樣!我們將蒐集涵蓋翅膀形狀、空氣與運動方面的資訊,也跟達文西一樣,提出許多問題。

問題:淚珠的形狀,和飛行有什麼關係?

下圖的形狀,好像淚珠的一側。看到這種形狀,是否讓你聯想到它與飛行的關係呢?

翼型會聯想到噴射機的機翼或鳥翼的形狀。圖/天才達文西的科學教室

答案:這就是翼型。

淚珠的形狀,我們稱為「翼型」。這樣的造形,可能讓你想起噴射機的機翼或鳥翼的形狀。翼型的前端是較厚的圓弧,後端則逐漸變薄、變窄。

飛行中的翼型向前挺進,空氣分子往上也朝下移動。翼型下方的空氣分子,移動的速度慢於上方滑過的空氣分子。空氣分子移動速度較慢,造成的氣壓就比較大。想像一下:翼型下方的空氣,等於處在被壓縮的狀態,翼型下方,較強的氣壓向上推,造成的力量稱為「升力」

模擬飛行中翼型的空氣分子移動狀態。圖/天才達文西的科學教室

受到鳥類的啟發

看到鳥翼的切面,居然就是翼型,你是否大吃一驚呢?說穿了,航太工程師就是從飛行中的鳥類得到靈感。移動的翼型會切過空氣,與周圍的空氣產生了力的作用。空氣分子——渺小不可見卻能施展強大的力量,從四面八方擠壓著翼型。翼型向前移動的時候,因為與空氣產生了交互作用而起飛。

將書本平放在桌上一隻手塞到書本下方,然後把書托起來。你的手在書下施展的壓力,就像慢速通過翼型下方的高壓。另一方面,通過翅膀上方的空氣,移動速度較快,形成了較低的氣壓。

空氣分子在機翼上的賽跑

讓我們進一步調查

問題:通過翼型上方的空氣,是否因為空氣要通過的距離較長,因此速度才會變快?

答案:根據美國的國家太空總署 (NASA) 工程師分析,機翼上方空氣的速度很快,只是為了比下方空氣更早抵達機翼後方,而不是因為距離較長。機翼上方的低壓空氣,其實速度更快!

畫出你的翼型

畫出屬於你自己的翼型,請標示以下項目

  • 高壓區
  • 低壓區
  • 快速移動的空氣
  • 慢速移動的空氣
  • 空氣流動的方向
  • 升力的方向
嘗試畫出屬於自己的翼型。圖/天才達文西的科學教室

和達文西一起賞鳥

達文西不只觀察飛行中的鳥,他也細看鳥的各種狀態,而且反覆觀看。他寫下筆一三己,問自己問題,例如:鳥類用什麼樣的方式使用翅膀?然後想辦法找出解答。以上這些行為,就是「觀察」。

當個自然觀察家吧!住家附近就可以好好賞鳥。不管你住在哪裡,都有機會走出家門,觀察鳥類百態及其飛行方式。記得帶著筆記本、鉛筆、色鉛筆與望遠鏡,可能的話帶一台相機,現在就抽出時間邁向戶外吧!

你的觀察記錄將充滿獨一無二的個人風格。看到小鳥,先用肉眼觀察。接著,以素描記錄觀察到的現象:畫出鳥類的輪廓,有沒有值得注意的花紋或樣式?先畫下外形,然後加上顏色:鳥喙是什麼顏色?腳呢?也花點精力注意體型大小:和其他鳥類相較,有多大或多小呢?有沒有攝食?歌聲或叫聲怎麼描述呢?鳥類如何起飛?如何降落?鳥類會順風起飛嗎?其他數據、記錄地點、天氣與賞鳥的時段,都要記錄下來。

用相機記錄身旁觀察到的現象。圖/Pixabay

以飛機工程師的方式來思考!

用另一種角度來看翼型。機翼後緣窄窄的後翼往上或往下,會有怎樣的效果呢?飛機工程師設計噴射機的時候,讓機翼的後緣可以伸展或彎折,透過這樣的方式讓空氣分子流動,達成特殊目的。如下圖所示請利用本小節的訊息,預測這樣設計的目的,並把假說寫在筆記本裡。

機翼不同構型讓空氣分子流動,達成特殊目的。圖/天才達文西的科學教室

下圖是根據達文西的設計而重建的機械翅膀。翅膀的形狀不像翼型,但是從喇叭似的形狀看來,功能就是壓下空氣分子,以產生向上的升力。這款翅膀有沒有讓你想起某種哺乳動物呢?

根據達文西的設計而重建的機械翅膀。圖/天才達文西的科學教室
根據達文西的設計而重建的機械翅膀很像哺乳動物蝙蝠。圖/天才達文西的科學教室

一起動手玩:創造一個翼型

實驗材料:影印紙、膠帶、30 公分長的直尺、鉛筆(最好是六角鉛筆)、吹風機

實驗步驟

  1. 輕輕彎折紙張,以垂直方向對摺。這時紙張會有淺淺的摺線,並且出現翼型般的曲面。
  2. 把紙張轉成水平方向,曲面朝下。將上半張紙的邊緣往後移 1.27 公分,用膠帶固定。
  3. 把直尺伸到紙張底下,在 5 公分處用膠帶把尺和紙黏在一起;紙張的邊緣也要和直尺黏合。
步驟 1-3 的操作示範。圖/天才達文西的科學教室

4. 把鉛筆放在距離直尺 12.7 公分處,和直尺垂直擺放,並以膠帶黏和。

步驟 4 的操作示範。圖/天才達文西的科學教室

5. 將吹風機設定最小風量模式,待會對著翼型的吹端吹。你認為吹風機啟動後,會發生怎樣的現象?請先寫出假說。

6. 現在測試你的實驗設計與假說。找個夥伴握住鉛筆兩端,翼型曲面朝向你。這時再啟動吹風機的小風量模式,直尺會怎樣?你感到翼型的升力了嗎?

步驟 5-6 的操作示範。圖/天才達文西的科學教室

實驗背後的科學

如同你所認知,通過翼型上方的空氣,移動的速度比翼型下方的空氣快。翼型下方的空氣分子在較高的壓力下受到擠壓。氣壓較高的空氣分子,向上推擠。翼型下方的高壓及上方的低壓,組合起來造成了升力!

——本文摘自《天才達文西的科學教室:像科學家一樣,發明、創造和製作STEAM科展作品》,2020 年 10 月,快樂文化


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為什麼吃甜的會蛀牙?——《生活中的東西都可以寫成化學式》

快樂文化
・2022/05/09 ・1404字 ・閱讀時間約 2 分鐘

來談談我們的敵人——蛀牙。

蛀牙的化學物語

導致蛀牙的主要原因有兩個。前面提過的蛀牙菌是其中一個因素,而蛀牙菌具體的名稱為「轉糖鏈球菌」,據說這種細菌常在孩童約三歲以前經由大人傳染,原因包括使用父母用過的筷子和湯匙,或輪流喝飲料等;另一個因素就是食物中所含的糖分,主要成分為「蔗糖」。

這兩個因素結合在一起時,就會發生以下情況:首先,轉糖鏈球菌利用蔗糖製造一種稱為「葡聚糖」的分子。葡聚糖的化學式為(C6H10O5)n,後面會再詳細說明。葡聚糖附著在牙齒表面,會成為轉糖鏈球菌的棲息地。此外,口腔中的其他細菌(根據統計,口腔中的細菌有 600 多種)也會混入其中。

這些附著在牙齒上的組合物稱為「牙菌斑」,有時也被稱為「齒垢」或「生物膜」(biofilm,又稱菌膜)。你可能在牙膏等的廣告中有聽過這些名詞。

之後,獲得棲息地的轉糖鏈球菌會產生大量的「酸」,引發去礦質作用,最終導致蛀牙。這個過程如下列所示。

轉糖鏈球菌生活在溫暖的葡聚糖裡,並分解出乳酸;事實上它們也會分解出醋酸,及一種稱為甲酸(HCOOH)的酸,但乳酸所佔的比例較高。這些酸會引發強烈的去礦質作用,溶解牙齒並造成蛀牙。

在這種情況發生前,必須好好刷牙,以澈底清除黏附在牙齒上的牙菌斑(葡聚糖+細菌)!即使是漱口,具黏性的牙菌斑也不易脫落,最有效的方法還是好好刷牙。而牙膏中含有研磨劑(可幫助去除汙垢的顆粒),能有效去除黏黏的牙菌斑。

不易蛀牙的甜食

上個單元我們說明了糖是如何引起蛀牙的。事實上也有一些分子的味道就和糖一樣甜,但卻不太容易引起蛀牙,其中最有名的分子之一就是「木糖醇」,你可能有聽過加了木糖醇的口香糖吧!這個分子的化學式為 C5H12O5,詳細的結構如下圖。

為什麼木糖醇味道甜甜的,卻不容易引起蛀牙呢?在回答這個問題前,我們先回想一下為什麼蔗糖(糖)會導致蛀牙。蔗糖是轉糖鏈球菌用來製造葡聚糖的材料,而反應過程中產生的果糖,會被轉糖鏈球菌做為養分來源,並分解出乳酸分子。

那木糖醇呢?首先木糖醇不像蔗糖是製造葡聚糖的材料,另外轉糖鏈球菌不會把木糖醇當成養分來源,所以也不會分解出乳酸。因此它們的味道雖然很甜,但卻不容易引起蛀牙。

這裡出現了一個問題。木糖醇和蔗糖的結構看來截然不同,但為什麼味道也是甜甜的呢?若像下圖一樣,稍微改變一下木糖醇的畫法,就會發現它的結構與構成蔗糖的葡萄糖和果糖很像,具有許多羥基這點也非常相似。

——本文摘自《生活中的東西都可以寫成化學式》,2021 年 11 月,快樂文化


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