打造藏有虹吸管的公道杯

九月 14, 2016
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大約在西元前六世紀,希臘哲學家對物理世界的理解就已經跨出了一大步。領銜的是天文學家們,代表人物是米利都的泰勒斯(Thales of Miletus),接著是數學家,如畢達哥拉斯(Pythagoras)和歐基里德(Euclid)。當基礎的科學思維到位了後,知識便開始不斷擴張,並孕育出大量的偉大哲學家,包括知名的科學家阿基米德(Archimedes)、亞里斯多德(Aristotle),以及一位你可能(還)不認識的亞歷山卓城的克特西比烏斯(Ctesibius of Alexandria)。

亞歷山卓城的惡作劇者

雖然克特西比烏斯可能不如希臘學者阿基米德、亞里斯多德、以及畢達哥拉斯般有名,但這位希臘人可以被視為世界上最傑出的工程師之一。同時,他也是一位非常喜歡開玩笑的人。他曾經發明了一尊會動的雕像,當時還隨著慶典遊行的推車遊街。道路兩排的觀眾見到雕像如真人般會起立和坐下,都感到相當不可思議。
克特西比烏斯是西元前三世紀的人,被現代學者稱為「氣體力學之父」。氣體力學(Pneumatics)是一門利用氣體讓物體移動的工程學科。在克特西比烏斯的諸多貢獻中,使用虹吸管的儀器尤其重要。
歷史學家曾經一度將虹吸管的發明歸功於克特西比烏斯,但我們從較晚近的考古學研究當中得知虹吸管的淵源其實更為久遠。在西元前1500年(法老阿蒙霍特普的統治時期,也是法老普塔霍特普統治後1000多年),埃及的雕刻家在底比斯墓穴的牆上就雕下了數張清晰的圖像,證明當時人們就知道虹吸管的使用方式了。
其中一張圖刻著一群美酒愛好者,利用虹吸管把酒從數個容器聚集到一個大酒缽中,想必是想要混製出更驚人的美味饗宴。除了調酒外,圖像也顯示古埃及人將虹吸管應用在居家用途,包含飲用水的淨化。
考古學家也發現在幾百年後,亞述人在國王辛那赫里布的帶領下,建造了一個巨型導水管,把水引到蓬勃發展的尼尼微市鎮。市鎮和水源之間橫亙著一座山丘,因此需要建造一個大型虹吸管,將水運過山丘。這項早期的驚人工程技術,一直到十九世紀才被近代水利工程師突破。
雖然虹吸管已經被使用了很久一段時間,但一直到古典希臘時期,人們(特別是克特西比烏斯)才開始鑽研虹吸管運作的科學原理。
儘管虹吸管遠從古埃及時代(甚至在更早以前)就一直被使用著,然而現代科學家依然無法對虹吸管的運作原理取得共識。
許多專家堅信虹吸管的原理與大氣有關。他們認為虹吸管內的液體之所以能被「吸」到高點,是因為管中高點與低點之間不同的大氣壓力所造成。但當其他科學家在真空裡測試虹吸管時,他們發現虹吸的現象依然存在,所以一定還有其他解釋。
其他科學家則認為,或許關鍵要素是重力,而不是大氣壓力。當液體從虹吸管吸起來,越過隆起的地方後,是重力繼續拉引液體流過虹吸管。也有人說是微小但數量眾多的水原子之間的引力牽引,這個原理即是鏈模型(chain model),認為液體的內聚現象(liquid cohesion)是虹吸管得以作用的原因。
虹吸管原理或許是這些理論的其中之一、或是其他尚未發現的理論所造成。然而我們可以確定,虹吸管確實有作用,但不容易解釋。 
儘管有著克特西比烏斯以及後世科學家的解釋,虹吸管如上圖般精確的工學原理仍然是個謎。
如同虹吸管一般,我們無法得知克特西比烏斯生平的所有細節。我們知道他可能有段時間是理髮師,或是理髮師的兒子,其聰明才智使他變得有名。他出身平凡,卻躍升為亞歷山大圖書館的領銜人,當時,該圖書館是世界上最頂尖的圖書館。
克特西比烏斯似乎對水力和氣體力,特別是虹吸原理相當感興趣。而且因為他是一位有著怪異幽默感的聰明人,因此他把虹吸管原理運用在各種不同的有趣發明上,包含機械唱歌鳥、水力發電樂器,以及可以喝水或從事其他有生命力活動的「engibita」機器人。
接下來你要做的專題叫做坦塔洛斯酒杯(譯註:中國稱公道杯),結合虹吸管科學以及幽默感。不過這種酒杯真的是克特西比烏斯發明的嗎?沒有人可以確定,但可以確定的是,這絕對是他覺得有趣的東西。而且,他早期研究的虹吸管原理就是這種酒杯運作的基礎。

設計並打造一個坦塔洛斯酒杯

坦塔洛斯酒杯有時候又被稱作畢達哥拉斯酒杯,即使根本不是畢達哥拉斯發明的。這個杯子本身就是個很聰明的玩笑:杯子如果沒有裝滿酒(或其他液體),看起來和用起來與其他的杯子沒什麼兩樣,但只要人們把杯子裝到超過一定的高度,隱藏式的虹吸管就會把杯子裡的液體倒光。所以如果你太貪心,想要喝很多酒或果汁,杯子就會給你點顏色瞧瞧,讓你學會克制與謙卑的道理!坦塔洛斯酒杯遠比那俗庸的整人漏洞杯還要聰明許多,是結合了科學和小玩笑、十分容易製作的專題。
PARTS

  • 塑膠酒杯
  • 矽密封膠

A方法:

  • 2½”高的藥瓶
  • 長2½”、外徑¼”的銅管或玻璃管

B方法:

  • 長6″、外徑¼”的塑膠管
  • 長1″、外徑3/16” 的鋁管
  • 束線帶

C方法:

  • 長6″、外徑¼”的軟玻璃管
  • 長6″、外徑¾”的鐵棒
TOOLS

  • 鑽頭¼”的電鑽
  • 銼刀
  • 弓鋸
  • 一小段外徑1½”的鐵管

第一部分:準備杯子

開始製作你的坦塔洛斯酒杯。請按照以下的步驟:
圖A:鑽洞
1. 首先在杯子的底部鑽一個直徑¼”的洞,如圖A所示。
圖B:銼切口
2. 在杯底邊緣銼出幾個切口,讓水可以自切口流出,如圖B所示。
現在你可以開始製作虹吸管了。

第二部分:製作虹吸管

圖C:如何組裝杯子
在你開始動手之前,先看看圖C,了解虹吸管如何運作。如你所見,製作虹吸管有三種方式。A方法比較簡單,但B跟C方法的外型比較美觀。

A方法:塑膠瓶方法

1. 如圖C的第一個杯子所示,在杯子底部的洞置入長2½”的管子。
2. 將管子伸進洞裡約½”長,用密封膠固定,確定密封膠填滿管子和杯底洞之間的空隙。
圖D:銼切口
3. 在等密封膠乾的同時,用銼刀在藥瓶底部邊緣銼一個切口,約¼”寬、¼”深(見圖D)。
4. ​接下來,在藥瓶底的邊緣塗上密封膠(注意不要塗到剛銼好的洞口),然後把藥瓶放進杯子裡。
5. 把藥瓶壓緊固定在杯子底部,然後等密封膠乾。

B方法:塑膠管方法

圖C中的第二個杯子說明了這個專題如何組裝。
1. 把1”長的鋁管放一半到塑膠管內,然後把鋁管塑膠管組合放進第一步驟鑽好的飲用杯底的洞裡。
2. 在連接處上密封膠。
3. ​靜置等待乾燥。
圖E:隱藏的彎曲塑膠管
4. ​把塑膠管彎成一個迴圈,讓塑膠管的開口距離杯底約¼”長,再用束線帶固定(見圖E)。

C方法:玻璃管方法

1. 點燃丙烷噴燈焰或丁烷噴燈焰。
注意:請遵守丙烷噴燈焰的使用方法,僅限成人或是一旁有成人的協助下使用。
2. 戴上隔熱手套。
3. 請見圖C最後一個杯子做為參考,手持管子放在火源的中間不定旋轉使其彎曲。
圖F:完成的管子
4. 玻璃變軟後,把管子移離開火源,迅速用金屬棒彎曲,讓它呈現180度彎曲(見圖F)。
5. 管子冷卻後,把玻璃管的長腳放進圖C所示的洞中,在連接處上矽氧密封膠,靜置等它乾。

用坦塔洛斯酒杯一窺虹吸管奧妙

傳說中,坦塔洛斯酒杯的設計是為了讓人了解謙遜的道理。杯子除了杯內的銅圈或塑膠圈外,看起來就跟普通的杯子一樣。如果你倒入少許或是適中的水或酒到杯中,你就能跟平常一樣飲用。但如果你倒到杯緣的位置(通常只要超過虹吸管的高度),杯子就會自動清空!每一滴水或酒都會從自洞裡流出,你就完全沒辦法喝了。
這個杯子的關鍵在於裡頭有個隱藏的虹吸管。杯子如果沒有裝滿水,在虹吸管運作的高度以下,什麼事都不會發生,它就只是個普通的杯子。但只要使用者把杯子裝到超過虹吸管運作的高度,虹吸管就會把杯子清空,將杯裡所有的液體倒得一乾二淨。
就讓這當作學習謙遜的一課吧! 
William Gurstelle
William Gurstelle是《MAKE》雜誌特約編輯。他的新書《再造歷史:過去的自造者》(暫譯)(ReMaking History: Early Makers)已經出版。
(譯:呂紹柔)
原文
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