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利用槓桿原理製作的自動澆花系統

  • alphaP

  • 12-30

很多人的家中都有種植小盆栽,藉此美化環境。香港人也愛出外旅行,例如美加、歐洲半月遊。出門時間這麽長,家中的盆栽如何料理?如果數天不澆水,盆栽肯定會枯萎。

目的
本組師生在決定參加「第七屆常識百搭科學專題設計展覽」後,產生了一個意念,就是設計一個自動澆水器,每天自動澆花,讓大家可以安心出外旅行。
原理
設計是利用地心吸力──水向低流的原理運作。「來源水」放在高處,用軟喉引導水流到盆栽,中途利用夾子控製水的流量,再加上利用槓桿做出「澆水」的動作,每隔一段時間,就有一定份量的水流到盆栽之中。
材料
 咪高峰座架、大膠瓶一個、蒸餾水膠瓶三個、漏鬥一個、軟喉、硬喉、小夾、竹枝、尼龍繩、黏貼用膠紙。
設計
 由於地心吸力作用,大水瓶內的水沿著軟喉向下流到集水瓶中,而流量是用小夾夾著軟喉來控製的。當集水瓶內的水增加至某重量時,便會失去平衡,槓桿向右傾側,集水瓶內的水經由軟喉注入漏鬥中,水最後經過硬喉的出水孔流到各盆栽;另一方面,集水瓶內的水流失了,重量減輕,槓桿重回最初的位置,集水瓶又再次從大水瓶接載水……如此循環不息,直至大水瓶耗盡存水為止。
在試驗過程中,有組員問為什麽要用槓桿?直接用軟喉引導大水瓶內的水慢慢流到底部的硬喉,再經由出水孔流到各盆栽,豈不是更直截了當嗎?但如果不用槓桿,水會集中在右邊的孔流出來,右邊盆栽會得到過量的水,而左邊盆栽卻得不到足夠的水。
如果使用槓桿,集水瓶每次倒出大量的水,由於時間短促,水便不會集中在右邊的孔流出來,再透過調整兩孔的大小,以及硬喉的傾斜度,兩盆栽便可以得到份量相近的水。本裝置如果是向三至四盆栽供水,使用槓桿倒水便顯得更為重要。

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(用槓桿倒水,出水量較大,倒水時間較短促)

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(調整出水孔大小以及硬喉水平斜度,可令兩盆栽得到相近的水份)
過程

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一、 製作
由於本設計是利用地心吸力來達到自動澆水的目的,水源要於在高處,槓桿在中間,盆栽在最低點。這些東西都需要用一個「架子」來固定擺放。最後決定向校方借用咪高峰座架(如上圖)來作「架子」。此外,為了方便製作,我們不用螺絲釘,改用尼龍繩和膠紙來黏貼以固定各零件。

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用咪高峰座架來做架子,有三個好處:
容易收藏和攜帶;
槓桿支點順滑,每當集水瓶儲了相同水流方向份量的水,槓桿便會傾側倒水;
展覽完畢,咪高峰座架可以回復原來用途,不致造成浪費。
 二、 實驗

本裝置是利用地心吸力和槓桿原理來設計。扭開大膠瓶下面的綠色控流器,大膠瓶的水便沿著軟喉流到集水瓶。集水瓶儲藏一定量的水,便會向右傾側注水到下面的漏鬥中,最後經軟喉和硬喉流到盆栽上。以下數點特別值得提出討論:

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(1) 在原來設計中,集水器是用一個杯子。固定在槓桿的右邊,後來改用一個蒸餾水瓶代替杯子。每當瓶子收集得一定份量的水後,槓桿便會向右傾側,將水倒在漏鬥之中(如上圖)。但後來發覺每次倒水時,總有部份的水倒在漏鬥之外,效果欠佳, 所以改用軟喉連接集水瓶瓶口(如右圖),直接經軟喉注水在漏鬥之中。漏水問題才解決了。

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(2) 在原來設計中,架子最高點的大水瓶是用6公升蒸餾水瓶(左上圖),但瓶子注滿水後,重量太大,瓶子不勝負荷,逐漸變形,甚至有裂開的危險,所以後來改用較堅硬的大膠瓶,但儲水量則減少了(右上圖)。

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(3) 如何控製大膠瓶水的流量,是非常重要的事,如果處理不當,瓶內的水在半日就流光了,盆栽主人在十多天之後才回香港,到時盆栽可能已經枯萎了;又或者控製流量失靈,瓶內的水根本沒有流到盆栽上,後果亦是相同。最初,我們利用文件夾(左上圖),但發覺它的靈活性較低,而且容易損壞軟喉,後來改用小型螺旋夾(名稱自創)(右上圖),效果好得多。最後發現用小型螺旋控流器效果更佳(左下圖),大約24小時可排放出300毫升水(右下圖)。

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(4)我們發現槓桿左邊的兩個水瓶儲水越多,右邊的集水瓶儲水量也越多,但倒水的次數則減少。不過,大家都同意,盆栽在固定時間內得到多少水份,是由小型螺旋控流器(下圖圓圈部分)來控製的。

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用途

 現今人們都喜歡在家中種植盆栽,以美化環境。可是當我們在假期要外遊數天時,誰可幫助我們澆灌盆栽,使它們繼續生長呢?「自動澆水器」能按一定的時距自動澆灌多盆盆栽,讓我們可以安心出門。 

優點

 環保:廢物利用用料簡單:材料簡單靈活性強:容易調較水量及可澆灌多盆盆栽實用性高:能代替人力去澆灌盆栽使用安全:不用電力操作,運作簡單 

困難

 

困難一:

最初設計的是大水瓶倒掛在咪架上,讓水從瓶蓋口經膠喉傳至集水器。由於鐵線綁著水瓶的底部會對底部,經一兩天後,水瓶的底部被鐵線弄致出現裂痕,長期下去,水瓶的底部會破裂而漏水。

改良方法:我們把大水瓶順掛在咪架上,並在大水瓶鑽孔插膠喉,讓水傳至集水器。

困難二:

在最初設計時,槓桿上的力點是放金屬物品,可是發現很難調較與集水器的重量,以達至平衝。

改良方法:我們改用放兩個小水瓶在力點位置上,這樣就容易調較水量,以平衡集水器的重量。

困難三:

在最初設計上,槓桿上的集水器是用水杯,由於水杯口是向上,在運作時,水杯內的水實際上倒不進漏鬥。

改良方法:我們改用一個中水瓶,把它橫放,當水瓶達到一定的重量時,水很容易流進漏鬥。

困難四:

我們改用中水瓶作為集水器後,發現水在流進漏鬥的過程中,有部分的水向外濺出,這樣除了很難估計澆灌植物的正確水量,還會弄濕地面。

改良方法:我們在中水瓶口插上膠口,並固定膠喉在漏鬥中,確保水流進漏鬥時,不會流失。

 

總結

 

「自動澆水器」的製作不算複雜,用料簡單,可以廢物利用,不但環保,靈活性也很高,隻要我們調較適當的水量,並在最底的膠喉鑽多個孔,便可以同時替我們自動澆灌多盆盆栽。

 

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