【空气炮简介】
将空气高压打入容器管子内,以活塞堵住出口,瞬间挤压容器器壁时,当压力累积到某一程度后,空气即能迅速地喷出,即会推动弹体高速射出,警消使用的抛绳枪,就是应用空气炮原理制成的用具,也就是在密闭的气舱裏打入空气,利用空气具有可压缩的性质来传递能量.而用手敲击开了洞的纸箱时,被挤压出来的空气脉冲,由纸箱开口处,以由内而外的方向,形成甜甜圈状的烟圈,从洞内回旋飞出.此烟圈可以传动至数公尺远而不散开,藉由脉冲烟圈传递过来的能量,能够吹熄蜡烛的火焰,或使标靶晃动甚至倒下,或者让人的脸部感觉到受击...
等等.显示敲击纸箱的力,随著烟圈而传导.这游戏我们观察到的科学原理,仍然是『空气的存在』,『空气可以被压缩』,以及『空气是波动的传递介质』
.当然烟圈是为了方便观察所以特别制造的效果,但是即使没有烟圈,空气也会以相同方式动作,只是空气无色,并非肉眼所能见.
【回力镖简介】
澳洲的土著居民以狩猎时使用的工具出名,回力镖就是其中一样工具.与回力镖相似的东西,在非洲和欧洲的岩画和遗迹中都有记载,这些岩画和遗迹的历史可以追溯到纪元前.亚述的壁画中,士兵所使用的武器中有类似回力镖的物品.因为有越来越多人使用弓,箭和枪等工具,回力镖的存在开始被人们淡忘.不过,在近几年中,回力镖开始作为比赛的项目.现在,回力镖在美国和欧洲已经成为一项体育比赛.
关於回旋镖的飞行现象,可以用回旋镖与空气的交互作用来解释.若在真空中由於缺少了空气的作用,回旋镖的飞行轨迹,应该仅是个抛物线.然一旦考虑空气,则情况就显得复杂,不过我们仍可用比较浅显的方式来了解,大致而言,回旋镖的飞行现象与力矩,角动量,转动惯量及白努利原理,向心力等物理原理有关.
以水平方向(转轴垂直地面)投掷回旋镖时,两翼的特殊结构使得空气流经翼的两侧时,依据白努利原理,空气会有个朝上的净力作用在较低,平坦的一侧进而产生浮力.如果用右手垂直投掷回旋镖(先前朝上的一侧此时朝左),则浮力的方向(投掷者观看)是由右至左,不过单由这浮力并不足以解释回旋镖的飞行轨迹.
紧接著我们可以考虑垂直丢出后,两翼上各点对空气的相对速度,我们发现两翼上各点对空气的相对速度均不同.当翼上的点是朝上时,回旋镖的向前速度加上由於转动所产生速度才是相对於空气的速度,反之当翼上的点是朝下时,回旋镖的向前速度减掉由於转动所产生速度才是相对於空气的速度,因此作用在回旋镖上的不仅是由右向左的浮力(提供回旋镖旋转所需的向心力),同时也会产生一外力矩(水平方向)作用在回旋镖上企图使得回旋镖上半部向左倾斜,下半部向右倾斜.
这里有另外一种通俗的比拟方法,在此也可做为上述原理的摘要整理.首先回忆儿时玩具"竹蜻蜓",它由两片像飞机机翼的竹片连接一根旋转驱动用的细竹杆组成.操作时翼平行地面(即细杆与地面垂直),使其正确旋转则竹蜻蜓上升飞行.飞行中的阻力矩会造成转动的减缓,当因旋转产生的白努利原理的作用力不足以抵抗竹蜻蜓所受的地心引力时,竹蜻蜓就逐渐落下.其实拿走细竹杆的竹蜻蜓就变成了我们的回旋镖,只不过现在我们令其转轴不是全部朝上,这样就能同时提供维持不落下的上浮力与转弯时所需要的向心力.记得听见怵目惊心的砂石车事件中,大家都会不约而同随口而出,归咎於砂石车重量大不容易停,其实这就是物体的惯性(质量)很大所造成的现象,当运动物体具有大动量,致使固定的阻力作用下,需要较长的时间才能减速至停止.同样的推理可以用在回旋镖上,如果期望回旋镖飞行绕较大的直径还能回到身边,就需要维持一段较长时间的飞行.这时候如何让回旋镖具有更多的角动量成为关键的所在,当然在设计回旋镖之初就得考虑让它有很大的惯性,旋转物体的惯量就是"转动惯量",转动惯量不只和物体的惯性质量相关,而且对於质量的分布更敏感.掌握这些重点后,相信驾驭回旋镖更能轻松自如.
而回力镖的类型,可分为下列几种:
(1)「十」字型
(2)多叶型
(3)「V」字型
(4)香蕉型
(5)钟型
(6)三叶型
一个典型的木质飞去来器


一般而言,用右手投掷时,投掷时正面向自己的左方,平行脸颊垂直地面.掷出时整个回旋标保持垂直,以类似投掷物体方式抛出,抛出时注意前方是否有人.回旋镖离手的那一瞬间,正面应几乎与地面(右方)垂直,或者正面略微向右倾斜,并且让回旋标转动得愈快愈好,也就是投掷时必须同时给予回旋镖向前的速度与转动的速度.
起初,回旋镖似乎远离我们而去,但很快地,它会向左上飞行,绕了一圈后降落在投掷者的附近或者再绕行第二圈后再降.每个回旋镖的飞行路径,盘旋能力都不同,即使同一个回旋镖,其飞行轨迹也会与投掷者的投掷方式有关,回旋的精确(定点,定位的投掷)更有赖於投掷者的技巧(通常风因素也会列入考虑),一段时间练习后就可以控制飞行技巧,让其飞行绕圈后回到手上,一般纸板做成的回旋镖在飞行半径约2,3米.
【静电原理】
不同的物质相摩擦就会产生静电,因为摩擦过程中一方会产生正电荷,而另一方会产生负电荷,这些电荷残留在物体表面就是静电.静电的产生:一般未带电荷的物质原子中,带负电的电子与带正电的质子数量相同.不过,电子可能因机械,热,或化学等因素而离开原子,造成正负离子的产生.在固体金属导体中只有自由电子可以移动,而在气体及液体中不管是电子或离子皆可以移动.静电的产生主要来自於两种不同物质的接触及分离,当两种物质接触在一起时,电子会从一边移动至另一边,当两物质分离时,电子离开的一边便带正电,而接收电子的一边带负电,也许移动之电子只占所有电子数目的数十万分之一,但却足以形成很大的静电.如果两个物质皆是良导体,则在尚未完全分离前移动的电子便会跑回原来的物质,因此两个良导体的接触与分离并不容易产生静电,亦即两个物质至少需有一为非导体方可以产生静电.至於何者带正电何者带负电则依物质种类而定,根据物质磨擦后产生正负电所排成之顺序称为磨擦带电系列(Triboelectric Series),表1所示为其中之一例,在表1中空气为最高位,依序往下排,铁氟龙为最低位.根据此表,当两种物质磨擦时,位在表1中较上位者会带正电,位在较下位者带负电.
一般可将产生静电的情况分为以下几种:
A. 固体摩擦与剥离时产生静电
绝缘电阻高的物质如塑胶,橡胶及化纤类都很容易因磨擦与剥离而产生静电,其静电电位可能高达数十kV.事实上对地绝缘之导体一样会储存电荷,因此对於任何固体的磨擦与剥离皆应注意静电的产生.图1为固体接触与分离产生静电的示意图.例如皮带,布匹,或纸张与驱动滑轮的接触与剥离即会造成静电荷的累积,其静电之大小与驱动速度有关,速度越快静电荷的累积速度亦愈快.人体在地毯上走动亦是接触与分离的动作,静电荷因此会在人体上累积.
B. 粉体粒子碰撞产生静电
粉体粒子在管子内高速流动时会与管壁碰撞产生非常高之静电,在输送带,升降机,鼓风设备中时亦很容易产生静电,例如塑胶粉末,化学粉末,金属粉末,煤碳粉尘,谷物及其粉尘,食品粉末等在制造过程中的输送皆会产生静电.此外,尘埃,烟雾,水气,雪,冰结晶体等与飞机在空中或地面的撞击摩擦也会在飞机上累积静电.
C. 液体流动产生静电
石油及其他绝缘性液体在输送管中流动时,因液体与管壁反覆的发生接触与分离过程而产生静电,此时液体及管壁分别带有不同极性之电荷.如液体的绝缘很高时,液体中之电荷会随液体而流动,由於电荷的流动即为电流,此种电流称为「流动电流(Streaming Current)」.
D. 高压气体喷出时带静电
纯粹气体由喷嘴喷出时并不太会带静电,但当气体中含有固体粒子或露状液体时就会带静电,例如石化工业中高压原料气体泄漏,氮气,液化石油气由储气统喷出时多会带有静电,尤其是带有碳粒时曾发生放电著火现象.
E. 水或水汽喷射时带静电
水在喷出时如成为雾状或水汽状时就很容易带静电,例如以喷水冲洗储油库或油罐车时,带静电的水滴及水蒸汽会形成电荷云,此电荷云可能与油库或油罐车发生放电现象.
F. 感应产生静电
带电荷的物体会在临近的物体上造成电荷的分离,靠近带电荷物体会出现与该电荷不同极性之感应电荷.事实上只要带有静电荷即会在周围产生静电场,物体出现在静电场内就会出现静电感应现象,尤其应注意与大地绝缘的良导体因感应出现静电时,需注意由感应静电所造成的火花放电灾害.例如带电之云块便会在大地,地上物,甚至飞行中之飞机感应出静电,另外被搬运的物体如带有电荷,则搬运车辆亦会感应出静电.
静电是一种物理现象,人体是一个带电体,例如握手时感到针刺性的电击,这种情况在天气乾燥情况下非常多见.天气乾燥时,化纤衣物,地毯,坐垫,墙纸等受到摩擦,都会产生静电.据测定,人在地毯上行走,产生的静电电压超过2000伏特;穿或脱化纤纯涤纶衣服时的瞬间,电压可达5万~10万伏特.当静电电压达到2000伏特时,人的手指就会有所感觉;超过3000伏特时,就会产生电火花,手指尖会感觉到针刺样疼痛;超过7000伏特时,不仅身体会有被电击的感觉,正常的心电传导都会受到影响.
【莱顿瓶】
早在西元前六世纪,希腊人就知道摩擦后的琥珀可以吸引小物体.但直到1600年,英国人吉尔伯特(William Gilbert , 1544 - 1603)才进行有系统的研究,他称这种现象为摩擦起电,而「电」这个名字便一直沿用至今.为了检查物体是否带电,吉尔伯特发明了历史上第一个验电器.
1660年,德国人给吕克(Otto von Guericke , 1602 - 1686)则发明了摩擦起电机,为电学研究开启了新页.1729年,英国人格雷(Stephen Gray ,1666 - 1736)便利用摩擦起电机作了许多电学实验,发现电与热非常类似,可经由摩擦而生成,并可经由接触而传递.
1745年,荷兰莱顿大学教授穆欣布罗克(Petrus van Musschenbroek , 1692- 1761)发明了莱顿瓶,可以将电储存起来.这个划时代的发现,为电学研究迈开了一大步.不久,富兰克林便利用莱顿瓶大量放电所生的电火花,证实了闪电与电火花本质上是相同的,揭开了闪电的神秘面纱,莱顿瓶发明之后,大大促进了当时的电学实验,电学的示范表演成了一种娱乐形式,人们用莱顿瓶的火花放电杀死老鼠,点燃火药和酒精.1746年,英国学者斯宾士(Spence)到北美的波士顿讲学,并进行电学表演.摩擦起电引起纸屑满天飞舞,莱顿瓶放电当场击死老母鸡等新奇的表演引起了满堂喝采.这次表演让一个40岁的人对电的现象产生了浓厚的兴趣,决心投入电学的研究,他就是当时到波士顿探望亲戚,偶然遇到这场表演的富兰克林.
以上这些工具的发明,在当时成为电学研究的新利器,促成了许多人投入电现象的研究.1785年,法国人库仑利用所发明的扭秤作实验,发现了电荷间交互作用力的关系.此后,电学理论有了较大的进展,到十九世纪初,静电学的理论可以说已相当完备.
这些电学示范中规模最大的应属1748年,法国人诺莱特(Nollet,1700~1770)在巴黎圣母院外面表演给在法国国王路易十五的皇室成员看的700人表演.他让七百位修道士手拉手排成一行,诺莱特让排头用手握住莱顿瓶,让排尾用手握住莱顿瓶的引线,然后他用起电机让莱顿瓶起电.当摇动起电机的一瞬间,这七百个修道士因受电击几乎同时跳起来,在场的人无不目瞪口呆!

(取自《从法拉第到麦克斯韦》,第43页,凡异出版社)
静电仪器的进展
发生静电的方法:由人类认识有静电现象,直到20世纪初,直接产生静电的方法只有靠摩擦,开始是用一手握住琥珀棒,另一手拿著布来互相摩擦生电,到了17世纪就开始利用一些转动的绝缘球,圆筒,(最后发展为)圆盘等上附著的金属片和静止的刷子的摩擦生电,并带收集电的电极,且由电极传到贮电用的莱顿瓶(一种原始的电容器).在图一中
图一
(a)为早期(17世纪)的静电产生器转盘只有一个,只靠一个金属片和圆环之间之摩擦生电.
(b)利用两个转盘,每一盘有两片金属片,在A处的软针摩擦生电及感应的电量在B处被收集.图上尚可看到两个莱顿瓶莱收集电量.
(c)已具完成期的静电发生器.
(d)为(c)之动作原理,在D1刷子处摩擦及感应生电的金属片,依箭头方向转移到C及D处被传导到莱顿瓶中.注意两个转盘的转向相反.
(e)直到1930年代,由於离子加速器的需要才由Van de Graff发明了新的静电发生器.
Van de Graff注意到,导体带的电量都在它的表面上.因此如有一些电量运到金属的内部,它一定会跑到金属表面(如图二).因此如果能继续不断地将电量用到非导电的方法运到绝缘好的金属球内部,这些电量马上由金属内部传到外面的金属表面,使金属球表面的电量继续增加,而金属球的内部不管是实心或是空心的都不会带电.所谓Van de Graff静电产生器,就是用绝缘的传动带由地(电位)载电输送到空心的导体内侧(参考图三)只要继续不断地将电量送到导体内侧,导体所带的电量可以继续不断的增加,直到导体表面的电量密度(相当於表面上的电场)增加到破坏周围介质的绝缘而放电为止.
图二
图三
这种静电发生器可以产生很高的电压(5～7MeV),因此被当作离子加速器的直流高电压源,由於它发电的方式较可靠,近年来也有示范实验用的小型的静电发生器,来代替摩擦生电式的静电发生器.
17世纪中,除了静电发生器之发展以外,必须提出所谓莱顿瓶的发明.
1745年一荷兰的僧侣,手持一玻璃药瓶,瓶中插入铁丝接到静电发生器,产生电以后,它用另一手摸铁丝,而受到很大的电击.如此发现了瓶子可以「装」很多电,1746年在荷兰莱顿(Leyden)的地方也做了同一实验,因而贴有金属箔的电容器,如图四所示.
图四
由於莱顿瓶的发明,我们可以将静电发生器所产生的电大量贮存到「瓶」中(即电容器).有了「贮存」电的利器,才能做更精细的实验,而促进了人类对静电的了解.
(取材自国中理化教师手册第3册)
墨尔本一次展览会上回力镖
现代的体育用回力镖
澳洲土著人的回力镖