利用杠杆原理制作的自动浇花系统的设计和原理
小实验 / 作者：豆腐干
/ 时间：2015-08-14 /22751℃
意念
很多人的家中都有种植小盆栽，藉此美化环境。香港人也爱出外旅行，例如美加、欧洲半月游。出门时间这麽长，家中的盆栽如何料理？如果数天不浇水，盆栽肯定会枯萎。
目的
本组师生在决定参加「第七届常识百搭科学专题
设计展览」后，产生了一个意念，就是设计一个自动浇水器，每天自动浇花，让大家可以安心出外旅行。
原理
本设计是利用地心吸力──水向低流的原理运作。「来源水」放在高处，用软喉引导水流到盆栽，中途利用夹子控制水的流量，再加上利用槓杆做出「浇水」的动作，每隔一段时间，就有一定份量的水流到盆栽之中。
材料
咪高峰座架、大胶瓶一个、蒸馏水胶瓶三个、漏斗一个、软喉、硬喉、小夹、竹枝、尼龙绳、黏贴用胶纸。
设计
由于地心吸力作用，大水瓶内的水沿著软喉向下流到集水瓶中，而流量是用小夹夹著软喉来控制的。当集水瓶内的水增加至某重量时，便会失去平衡，槓杆向右倾侧，集水瓶内的水经由软喉注入漏斗中，水最后经过硬喉的出水孔流到各盆栽；另一方面，集水瓶内的水流失了，重量减轻，槓杆重回最初的位置，集水瓶又再次从大水瓶接载水……如此循环不息，直至大水瓶耗尽存水为止。
在试验过程中，有组员问为什麽要用槓杆？直接用软喉引导大水瓶内的水慢慢流到底部的硬喉，再经由出水孔流到各盆栽，岂不是更直截了当吗？但如果不用槓杆，水会集中在右边的孔流出来，右边盆栽会得到过量的水，而左边盆栽却得不到足够的水。
如果使用杠杆，集水瓶每次倒出大量的水，由于时间短促，水便不会集中在右边的孔流出来，再透过调整两孔的大小，以及硬喉的倾斜度，两盆栽便可以得到份量相近的水。本装置如果是向三至四盆栽供水，使用槓杆倒水便显得更为重要。
(用槓桿倒水，出水量較大，倒水時間較短促)
(调整出水孔大小以及硬喉水平斜度，可令两盆栽得到相近的水份)
过程
一、 制作
由于本设计是利用地心吸力来达到自动浇水的目的，水源要于在高处，槓杆在中间，盆栽在最低点。这些东西都需要用一个「架子」来固定摆放。最后决定向校方借用咪高峰座架(如上图)来作「架子」。此外，为了方便製作，我们不用螺丝钉，改用尼龙绳和胶纸来黏贴以固定各零件。
用咪高峰座架来做架子，有三个好处：
容易收藏和携带；
槓杆支点顺滑，每当集水瓶储了相同水流方向份量的水，槓杆便会倾侧倒水；
展览完毕，咪高峰座架可以回复原来用途，不致造成浪费。
二、 实验
本装置是利用地心吸力和槓杆原理来设计。扭开大胶瓶下面的绿色控流器，大胶瓶的水便沿著软喉流到集水瓶。集水瓶储藏一定量的水，便会向右倾侧注水到下面的漏斗中，最后经软喉和硬喉流到盆栽上。以下数点特别值得提出讨论：
(1) 在原来设计中，集水器是用一个杯子。固定在槓杆的右边，后来改用一个蒸馏水瓶代替杯子。每当瓶子收集得一定份量的水后，槓杆便会向右倾侧，将水倒在漏斗之中(如上图)。但后来发觉每次倒水时，总有部份的水倒在漏斗之外，效果欠佳， 所以改用软喉连接集水瓶瓶口(如右图)，直接经软喉注水在漏斗之中。漏水问题才解决了。
(2) 在原来设计中，架子最高点的大水瓶是用6公升蒸馏水瓶(左上图)，但瓶子注满水后，重量太大，瓶子不胜负荷，逐渐变形，甚至有裂开的危险，所以后来改用较坚硬的大胶瓶，但储水量则减少了(右上图)。
(3) 如何控制大膠瓶水的流量，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；又或者控制流量失靈，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)。
(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)來控制的。
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斗。
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，水很容易流進漏斗。
困難四：
我們改用中水瓶作為集水器後，發現水在流進漏斗的過程中，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，並固定膠喉在漏斗中，確保水流進漏斗時，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，只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。
感想
我們很高興有機會參與這次專題設計展覽。在這次創作「自動澆水器」的過程中，我們透過多次的試驗與探究，不但明白了很多科學原理，如地心吸力和槓桿原理，還訓練了我們的解難能力，加強自信心，培養對科學探究的精神，並提高了邏輯思維的能力。
此外，在這次專題設計展覽中，亦加深了我們的環保意識，更重要的是，我們學會了如何溝通和明白到團結協作的重要。總括而言，這次活動給予我們一次很寶貴的經驗。
鳴謝
本校職員鍾振聲先生在今次專題設計展覽中，無論在設計與製作方面，都作出很大的貢獻，特此鳴謝！
編者及評判的話
同學們對製成品的介紹及解說既詳細又清楚。製作過程中進行過不同的測試，因此十分清楚製成品的運作與理念，很有探究精神。
