垃圾袋天燈

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由於熱氣球的皮重正比於長度的平方,而浮力卻正比於長度的三次方,因此熱氣球的尺度越小就越難以升空,除非以加大內外氣體密度差的方式來彌補。所以若使用單一垃圾袋來做熱氣球時,就必須在下方提供熱源來做成天燈的形式。

取長90公分之鋁線,將其以透明膠帶黏成圓框。將鋁線圓框置於垃圾袋之開口端,以12小段之透明膠帶等距離貼於圓框上,使圓框與垃圾袋二者結合。再取30公分之鋁線,跨接於圓框之直徑處,並在中央繞一小圈來置放面紙,並將其以酒精沾濕。然後將垃圾袋置於已點火之休閒爐上方,利用產生的熱氣讓垃圾袋慢慢鼓起來。然後將底座放低至距休閒爐頂部約15公分處,不久即可看到酒精自動被熱氣點燃,至此放開垃圾袋即可上升。天燈必須要在無風的天氣和空曠的場地上放飛,否則不會順利飛上天,並可能會造成危險,放飛時需要2-3人的共同協力且必須有成年人陪同。最好也在天燈底部拴上線,這樣既可以重複放飛,又能控制起飛高度和範圍,以避免引起火災。本實驗中,90公升塑膠袋連同鋁條與酒精面紙的總質量m約為40g、氣溫約17℃。

亦即內外溫差需達到168℃以上,熱氣球才能升空。由於垃圾袋開始升空之後,氣球內熱空氣的溫度就會因為熱量散逸而降低,因此底部需燃燒酒精以補充熱能,否則將無法持續上升。此簡易天燈之製作方法比糊紙方式簡單,但升空時易受到天候與場地之影響。風大時易將燈體吹斜而使燈體燒毀,因此最好選在無風的時候於空曠處施放。為了避免塑膠袋造成環境的污染,可於底部繫上控制線來施放。燃料則不宜使用汽油或煤油,否則太高的熱氣易使塑膠袋熔化。

使用5000公升的塑膠袋,內外溫差只須達到16℃以上,熱氣球即能升空。而使用90公升的塑膠袋時,內外溫差卻須達到168℃才能升空,二者的溫差比超過10倍。這是因為氣球皮的重量正比於長度平方,而浮力卻正比於長度三次方,因此尺度越小就越難以升空,除非以加大內外氣體密度差的方式來彌補。提到這一點,就令人回憶起早期Discovery曾做過的實驗「以線香的煙讓雞蛋殼升空」。從理論上就可以知道這是不可能成功的,因為蛋殻重量約5克重,但是體積卻僅有65立方公分。由於1公升的空氣質量才1.2克,縱使將蛋殻內抽至真空,這已經是能提供最大浮力的狀況了,其浮力還是遠小於1克重,因此怎麼能升起5克重的蛋殻呢?但是 Discovery 影片卻能呈現出蛋殼升空的畫面,其機制不言而喻^^