102/11/02假日科學廣場-仿生學與力學的體驗 活動報導

2013/11/06 – 上午 10:29

從大自然中學習 仿生學與力學的體驗

校園特派記者:蔡宇安

這周的假日科學廣場,請來的是成功大學材料科學及工程學系的李旺龍教授,由於他曾任教於高雄應用科技大學,科技大學及綜合大學的教學背景,使得他的教學經驗十分豐富,同時他也是高雄科學工藝博物館「週日閱讀科學大師」的計畫主持人,此計畫持續至今長達11屆,可說十分成功。

甚麼是仿生學

仿生學對許多人來說或許是個十分陌生的名詞,李旺龍解釋,所謂的仿生學,就是「跟生物學習、模仿生物」,例如魔鬼氈就是模仿植物傳播種子時的倒鉤,由於植物不會移動,因此在種子上長出倒鉤,附著在經過的動物上面,藉由動物的移動來傳播種子,而魔鬼氈便是學習這樣的裝置來黏貼物品。

電動鐵鎚也是模仿生物的例子,啄木鳥「啄木」是為了覓食、築巢與宣示地盤,而藉由觀察啄木鳥的動作,及啄木鳥的頭部構造,來設計更加穩定的電動鐵槌。

大尺寸V.S. 小尺寸

說明完仿生學是甚麼之後,李旺龍接著問現場的小朋友:「如果我們把蒼蠅打昏,使它不能飛行,然後從屋頂丟下來,那蒼蠅會不會死掉呢?」現場的小朋友搶答道:「不會」、「不知道」、「會」各種答案,李旺龍解答:「不會!」由於昆蟲的體積小,所以從高空落下時,空氣阻力會減速,和重力的加速互相抵消之後,便達到終端速度,等速下降;所以當物體變小時,重力不再是最重要的,相對的,表面力﹝例如:表面張力﹞才會造成大影響。

李旺龍又解釋,當人等比例放大10倍時,人的體重增加1000倍,但腳的面積只增加100倍,平均所承受的壓力增加10倍,人的雙腳便承受不住身體的重量。又當人縮小到和螞蟻一樣小時,相對於原來的尺寸,我們的力氣會變大,跳耀的高度也比較高,爬樹變的易如反掌,嗅覺變的靈敏,反應速度也會變快,他笑著說:「所以我們在電視裡看到用筷子夾蒼蠅那真的是很難的啊!」相對的,當人的體積很小的時候,由於氣管變窄,呼吸的空氣感覺更黏稠,水分的散失也快,飯後的饑餓感也較快產生,當遇到水滴時,由於水的表面張力,對於小體積的人類來說,水滴的表面會如同橡皮般彎曲,掉入水滴中便難以脫身。

紙杯小變身

接著李旺龍請助教們發下紙杯,將紙杯反扣於桌上,用滴管滴一小滴水滴在紙杯底部,這時候可以發現紙杯底部是親水性的;然後我們將同樣的紙杯內裝些許的水,然後用蠟燭烤紙杯底部,讓紙杯底部出現一層焦黑,然後再滴一滴水在紙杯底部,這時全場皆「哇!」的驚嘆,因為原本親水性的紙杯底部,竟然變成了疏水性,水珠在焦黑的部分不斷的滾動,而不會附著於杯底上。

他解釋,這是由於蠟燭不完全燃燒產生的碳會附著於紙杯底部,因為碳的大小不一,所產生的蓮葉效應,若碳的大小一致的話,便無法產生蓮葉效應了,蓮葉效應便是由於蓮葉表層有微米大小的突起,突起上又有奈米的結晶,在大小不一的情形之下產生了疏水性,同樣的原理生活中也用於防水塗層上或是防灰塵塗層上。

旋轉吧!種子

李旺龍接著播放兩段桃花心木種子飄落的影片,影片中的種子是以一邊旋轉的方式落下,那是由於桃花心木的種子形狀像是翅膀一樣,有一邊的重量較重,而翅狀部分有弧度,可以影響氣流的流動,進而以旋轉方式落下,也可以落得更遠。

接著就是利用鐵絲、紙膠帶、保麗龍球及塑膠片來製作一個桃花心木種子玩具!首先將鐵絲的一頭彎曲,置於塑膠片上,然後用紙膠帶先稍微固定,接著將塑膠片依照桃花心木種子的形狀,將多出來的部分剪掉,並留下約三指寬的鐵絲於塑膠片外面,再用紙膠帶將塑膠片與鐵絲的邊緣完全包起,彎曲處的紙膠帶要較短,以利其密合,之後將尾端預留的鐵絲穿入保麗龍球正中央,落出來的鐵絲部分則繞著保麗龍球往回折,再用紙膠帶將保麗龍球纏起,這時可以稍稍壓扁保麗龍球,讓紙膠帶更好纏繞,由於紙膠帶纏繞保麗龍球的目的是要改變它的重量,因此,在製作過程中可以隨時試丟,觀察它的落下軌跡,再決定要不要繼續纏繞紙膠帶在保麗龍球的那端,當確定好重量之後,再用一小段紙膠帶固定保麗龍球與塑膠片,便完成了桃花心木種子玩具的製作。在玩具完成之後,現場的大小朋友都玩得十分開心,但李旺龍也提醒小朋友,可以回家試著將塑膠片的材料用其他材質替換﹝如:衛生紙﹞,或是改變鐵絲彎曲的弧度、彎曲的位置,都可以做出不同的桃花心木種子玩具。

觀察,是學習的方法之一

李旺龍講了一個小故事:日本要發射衛星時,由於想不到方法可以使太陽能板在宇宙中順利張開,正在苦惱時,科學家三浦公亮觀察自然界中甲蟲翅膀的折疊方式,發明了「三浦摺」的折疊法此種方法可以一拉即開、一推即合,順利地解決了困擾許久的問題。

又或者是溜冰選手在溜冰場上的旋轉,當雙手張開時,旋轉速度下降;雙手縮至胸前時,旋轉速度變快,這是由於動能 K=(1/2) Iω^2,當手臂張開,轉動慣量r增加,角速度ω下降,反之,若是將手臂縮至胸前,轉動慣量I下降,則角速度ω上升。這樣的原理也可以用在騎腳踏車放開雙手時,當張開雙手時轉動慣量增加,反應時間增長,所以我們可以保持腳踏車的平衡而不容易跌倒。

藉由以上的兩個例子,李旺龍總結道:「當走在路上看到樹葉、花瓣、種子掉落時,覺得很美、很有意境之外,其中更包含許多科學原理值得我們多多觀察。」

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