机械水黾.PPT

國立高雄應用科技大學 微/奈米磨潤實驗室 輕功水上飄 水黽 指導教授：李 旺 龍 研究 生 : 黃 盈 嘉 摘 要 水黽擁有什麼神奇秘密，能夠在水面上凌波微步？藉由了解水黽的構造及生活習性，來理解水黽在水上漂浮的方法及水黽如何在水上行走的秘密。並且希望能設計新式的水上動力設備，改善現有船艦的移動方式和速度。 報告流程 （一）水黽的特性 學 名：Aquarlus elongates 科 別：水黽科（兩棲的半翅目） 別 名：水蜘蛛 特徵： 體驅細長，身體輕盈，前 腳特化成捕捉腳，可用 以捕獵，而中、後腳細長 ，長有濃密帶油質的細毛， 具防水作用，在水面上能 作急速的划動。 食物來源： 落水的小蟲體液 或死屍魚體。 覓 食： 水黽對水面的動靜異常敏感。 在它的足關節之間有一層特殊的 薄膜﹐膜上有靈敏的感震細胞。 能馬上傳達至大腦中樞神經﹐如 掉落水中的螞蟻﹐水黽能馬上衝 到螞蟻面前﹐把針一樣的口器刺 入螞蟻的軀體。３分鐘過後﹐螞 蟻的營養物質化成汁液﹐然後水 黽開始吸食。 （二）水黽結構 水黽背面圖: 水黽腹面圖: （三）水黽在水面漂浮不下沉的原因 會不會是它們的腿分泌油脂？ 研究人員在人工的水黽腿 上面塗了一層蠟這條腿能夠 讓水黽在水面上靜止一會兒， 但卻不能經得起水的波動。 會不會是因為表面張力？ 水黽的一條長腿就能在水面 上支撐起15倍於身體的重量 而不會沈沒。而水表面的張 力卻沒有如此大的浮力。 為何水黽能在水面漂浮而不下沉？ 水黽的腿能支撐300倍於其 身體體積的重量，這就是 這種昆蟲非凡浮力的原因。 水黽腿部特殊的微奈米结構才是真正原因！ 水黽腿部上有數千根按同一方向排列的多層 微米尺寸的剛毛。這些像針一樣的微米剛毛 的直徑不足3微米，表面上形成螺旋狀奈米結 構的構槽，吸附在構槽中的氣泡形成氣墊。 水黽腿的SEM照片 (a)水黽腿的無數細長微剛毛。 (b)單根剛毛上的精細螺旋狀的奈米凹槽結構 圖(13a) 圖(13b) (四)水黽在水上行走的方法 水黽的移動速度: 水黽在水面上每秒鐘可滑行100倍於身體長度 的距離，這相當於一位身高1.8米的人以每小 時400英里的速度游泳。 幼蟲水黽的疑惑: 產生表面波的最小速度（4δσ/ρ）1/4≒23.2cms-1 。 成年水黽的腿可以達成這樣的速度，但水黽幼蟲卻無法達 成，因此當時的幼蟲水黽應該無法迅速地移動。他們應該太 小不能使用波在任何地方推進自己。 實驗觀察: 使著用百里香酚藍色螢光劑將水面染色，再 配合每秒500畫面的高速照相機拍攝水黽在水 面上所留下的行跡 。 水黽通過藍色染料所產生的漩渦 水黽在水中運動的方式  研究人員日前利用高速攝影機，拍攝水黽前進的連續畫面，意外發現其實水黽前進的時候，只有中間2隻腳在動作，而且不是先靠踩水激起波紋，再像衝浪一樣向前滑行，而是像划船一樣，把雙腳當作船槳划動，藉以前進。 水黽在水中行走的動力來源  並不像一些研究者所認為的那樣，是依靠 在水表產生的波紋的表面張力。水黽是利用 其三對多毛的長足，在水中制造出螺旋狀的 旋渦，借助旋渦的推動力，從而以每秒60英 寸以上的速度向前行走。 對於二極旋渦來說︰ 速度V = 4 cm/s，半徑R = 4毫米 ，質量M=2πR3/3， MV 1 g cm/s， 對於水黽來說：v=100cm/s, m=0.01g,mv =1 g cm/s 估計毛細管波衝力約0.05 g cm/s mv由上面計算可之，儘管的確產 生了細微的波紋，但它們並不是最主 要的推動力。使水黽在水面上行走的 動力，主要來自於水表下所形成的旋 渦。 其它生物的推進運動 機械水黽 機械水黽是由易開罐的罐體 製成，前後兩對腳為不銹鋼 絲，而中間的一對腳由一條 彈力帶和滑輪所代替 。 參考文獻 (Fig. 1) 引用自 /~kunkel/wanted/mugs/92296-rap.html (Fig.2) 引用自 .tw/wuwei/new_page_138.htm (Fig.3) 引用自 /forum/read.php?fid=119tid=134038toread=1 (Fig.4) 引用自 .tw/New23/9402/48.htm (Fig.5) 引用自 .tw/judy/judy/science/29-2.htm (Fig.6) 引用自 .tw/judy/judy/science/29-2.htm (Fig.7) 引用自 The hydrodynamics of water strider locomotio