圖片：運用寶特瓶製作手控水流瓶(半透水瓶)以及側向戳洞來進行水的壓力的簡易科學小實驗
作者：嚴融怡
炎熱的暑假，小朋友們還是比較適合進行水物理特性的小實驗，水的側壓實驗則是在容器側邊鑿孔，可以觀察不同孔洞的水流出距離，水的側壓會隨著深度越深而越大。這一方面也可以去感受當生物如果處在水下越深處，也就越容易承受到來自四面八方的水壓，而不是只有來自上方的水壓。事實上，在工業上還有一些針對這類壓力的重要測試，像是靜水壓試驗(靜水壓力測試)，針對潛水機具的閥門、壓力容器、鍋爐、管線與太空艙等耐壓強度以及密封性就非常具有重要性。而針對水的打結，則可以取一方形寶特瓶（這個實驗前人有經驗如果使用圓形會比較容易失敗），在距瓶底約１公分處挖二個小孔（可用小鑿子戳洞或是使用鐵槌和鋼釘來打洞，後者比較麻煩），然後盡量讓孔距保持在0.3~0.5公分之間不要太遠。將寶特瓶裝水約八分滿，水會從小孔流出，成為二股水流。這時用手輕輕畫過二個小孔，二股水流有機會合成一股水流。有的時候則是調整水瓶持拿與漏水的姿勢與方向也能讓二股水流合而為一。水分子其實彼此之間存在分子之間的吸引力與拉力，當水流分別流出時，兩股水流的水分距離太遠而無法相互吸引凝聚。這時當手指輕輕經過小孔時，手指上所沾到的水可以讓兩邊水流的水分子更為相互接近，而最終有機會相互連接打結或結合形成一道水流。當寶特瓶傾倒的方位改變或甚至手壓寶特瓶有時也會讓水流量增多而彼此拉近距離，而促使水流有機會相互結合。水的打結可以和水的側壓的實驗一起進行。小時候還學過另一種水壓實驗裝置，就是將保特瓶打孔之後再將塑膠管以強力膠或熱熔膠黏在寶特瓶上，操縱水管的高低可以透過水壓的控制而調整出水量。
圖片：寶特瓶側向戳洞觀察水的側壓會隨水深增加而加大(水會噴得比較遠)的情形
圖片：寶特瓶鄰近0.5公分以內的兩個小洞所流出的水流，當改變寶特瓶的傾斜角度時會造成水流加大而容易讓兩股水流有機會相互結合，當水流結合之後，即便角度重新調整回來，仍可一段時間維持打結的水流。
接下來是手控水流瓶，手控水流瓶是我小學時學過的實驗小裝置。這個裝置是創造水的壓力、水的重量與表面張力、空氣壓力彼此之間的靜力平衡；類似的實驗還有一種是直接拿衛生紙來弄，但衛生紙的支撐力不穩，比較容易失敗，有時倒立時稍微沒有筆直而有些傾斜便會整個崩塌。而手控水流瓶則相對穩定很多，可以使用洗衣網或抹布修剪至寶特瓶瓶口大小，然後使用熱熔膠黏在瓶口。之後將水龍頭的水沖入寶特瓶約七、八分滿或全滿。接著將手壓住瓶口，再倒立寶特瓶。這時手離開寶特瓶後，將會觀察到水會由於水分子以表面張力撐住洗衣網的孔隙加上部分空氣壓力的作用而不會從倒立的寶特瓶當中流出來。但是之後如果用手從兩側壓寶特瓶，則由於破壞靜力平衡，造成水壓增大，這時水就會從網子當中衝出來。而小朋友們可以透過擠壓寶特瓶的力量大小來改變手控水流瓶的出水大小。有網子的水瓶也比較能製造出較為凝聚的噴水流，小朋友甚至也可以運用這樣的水流來打水仗。不過必須要有可以更換的衣服就是了，而且不要壓太大力，不然熱熔膠還是會崩開而讓網子掉落。而在先前的實驗步驟當中若持續保持倒立的水瓶，如果一開始選用的洗衣網網格夠大，也可以取一根牙籤，從寶特瓶瓶口塞入，這時會觀察到水仍然不會流出來，但是牙籤卻會往上漂浮到倒立寶特瓶內的水面。接下來還能夠插入第二根、第三根牙籤，觀看它們的上浮。之後，用手壓住寶特瓶瓶口，將倒立的寶特瓶直立，然後再傾斜，可以讓水順暢地流出來，也能讓牙籤跟著流出來，後者加入牙籤的小實驗也是另一個著名的科學魔術─神奇寶特瓶的製作方式。但如果要操作魔術的話，則網布必須要黏貼的比較隱密。而不能一下就被觀眾看出來。
圖片：以熱熔膠黏貼洗衣袋網子和寶特瓶口，來製作手控水流瓶。
圖片：手控水流瓶當手不去壓水瓶時，水因為靜力平衡而會待在瓶子當中。
手控水流瓶據說在古埃及到古羅馬時期曾有人運用相似的原理來控制洗澡淋浴的水量，因為那時候還沒有近代水龍頭控制水流的裝置，即便羅馬後期已經有很厲害的供水系統，但也還沒有水龍頭。在古埃及時期上層階級或有錢人家有的會在屋裡裝設下挖式的浴缸，有的則會在房間的某個角落鋪上石板，讓下人倒水給主人淋浴。在電影《風暴佳人》當中女科學家海芭夏便有一個沐浴的室內空間。古羅馬後期東西羅馬分裂，匈奴王阿提拉年少時曾經長時間留在西羅馬作為人質，也學會了羅馬的內政、外交以及城市建設等知識，而他後來在回到部落後最想要複製的便是羅馬浴場的設施，但因為供水系統仍然沒有學到核心技術，因此部落內的澡池也只複製了一部分的型態而已。手控水流瓶這類透過壓力掌控的小設計是可以控制水流大小的，另一方面這類的設計也可以用來作為洗手裝置的水流大小控制，當然到了中世紀後期已經開始出現某些更精巧的機械裝置。但也還是沒有水龍頭。在文藝復興時期的中東地區已經開始有類似今日水龍頭的裝置運用在民生；另一個則是在東方的日本，在江戶時期由於日本木造房子擁擠的聚落特別容易發生連環性的火災，所以滅火組(消防隊)就非常重要了，但是剛開始還是民間的組織，直到1720年將軍府才建立了47人的江戶町火消組，並由江戶町奉行大岡忠相指揮，這也是日本最早隸屬於政府的消防隊。江戶日本由於太常發生火災，因此滅火器材在東亞也算是比較精良的，因此後來還在清代傳入到中國，其中也包括了『水龍頭』，清代《冷廬雜識》卷六中描述說：「救火之器，古惟水袋、唧筒。順治初，上海縣唐氏得水龍之制於倭人，久而他處漸傳其制。」，日式水泵比起中國傳統的水袋、唧筒的噴水量多很多，而且藉由操作者上下推拉水泵的杠杆還能夠不間斷噴水，它的水泵讓百姓聯想到龍噴水，於是被稱為『水龍』，而接水的帶子則被稱作『水龍帶』，噴水口也就被稱為『水龍頭』了。不過這個古代水龍頭的裝置是用在救火而不是用在洗手洗澡。
歐洲第一個旋入式水龍頭裝置(也是現代水龍頭的初代)是在1845年才發明獲得專利的，現代水龍頭普遍使用到『閥』的概念，並以橡膠類材質製作成墊圈，將其旋入閥座來阻止水流。這在工程中被稱為『截止閥』，雖然大幅增強防漏密封與良好的流量微調功能，但橡膠墊圈和閥座都會隨著時間的推移而磨損或侵蝕。這也是老舊水龍頭會漏水的原因。至於現代很多浴缸所配置的單手混合水龍頭則是阿爾弗雷德·摩恩(Alfred M. Moen)，這種裝置發明的時間更晚。是在1947年左右才真正量產，摩恩由於 1937年曾因為打開雙把手水龍頭不慎燙傷手，之後花了十年的時間持續進行水龍頭的新設計與改進。從古代透過外在施加壓力來控制水流再到近現代出現截止閥而真正製造出掌握水流的水龍頭，這也發展了千年之久呢。但無論如何，還是可以讓小朋友多去觀察與體驗生活中的小科學，也許以後還會有小朋友長大之後有更多展現在生活智慧的小發明。很多小發明看似很小，但其實卻是重要而劃時代的大發明，就像水龍頭就曾多次被一些雜誌評定為人類的重要發明喔！
引用參考資料：
1.江戶物語 江戶町火消組與救火的「纏」─單身神隱
https://talentpig.blogspot.com/2013/08/blog-post_8674.html
2.科學小實驗｜倒立裝滿水的水瓶，水卻不會流出來，怎麼做到的？好神奇 ─豬爸一家
https://www.youtube.com/watch?v=7H-kVOvOkHc
3.神奇寶特瓶。科學遊戲實驗是。國立台中教育大學NTCU科學教育與應用學系。https://scigame.ntcu.edu.tw/water/water-007.html
4.莊郁馨(2017年3月4日)。如果法老也是聰明人──隱藏在字裡行間的觀點。傳揚論壇。https://weproclaimhim.com/?p=6664
5.會打結的水。科學遊戲實驗是。國立台中教育大學NTCU科學教育與應用學系。https://scigame.ntcu.edu.tw/water/water-003.html
6.新民晚報(2017年8月2日)。上海的“水龍會”與救火會。消防百事通。https://www.fire114.cn/index/article/detail?i=10758
7.摩恩：单把手冷热水混合水龙头的发明者--摩恩的品牌故事 https://www.pp918.com/brandshow/brandstoryinfo_10295.html
8.Alfred M. Moen. (2023, April 13). In Wikipedia, the free encyclopedia. Retrieved August 25, 2023, from http://https://en.wikipedia.org/wiki/Alfred_M._Moen
9.Shower. (2023, August 13). In Wikipedia, the free encyclopedia. Retrieved August 25, 2023, from https://en.wikipedia.org/wiki/Shower
10.Tap (valve). (2023, August 4). In Wikipedia, the free encyclopedia. Retrieved August 25, 2023, from http://https://en.wikipedia.org/wiki/Tap_(valve)
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