有趣的機械之金木水火土

中國古代認為天下萬物都是由金、木、水、火、土五種元素組成的，五行就是指這五種元素的運動變化。

本期，且看“未來愛迪生”們如何從五行之中得到靈感，將其運用到發明創造中，從而使設計的作品更加有趣，更加實用。

水之空氣凈化器

目前市場上售賣的室內空氣凈化器多為被動式空氣凈化器，即采用“離心風機+HEPA（高效空氣過濾器）濾網”的工作模式，雖然高效安全，但濾網容易被細顆粒聚集堵塞，使得更換和維護成本較高。

一次我在醫院病房中發現，醫用氧氣都要通過干凈的水后，再給病人呼吸用。這給了我靈感，水性至善至柔，可容納萬物。那么，如果讓污染的空氣通過干凈的水，不就可以達到去除顆粒物的目的嗎？于是，我設計了一款水空氣凈化器（如右圖）。本裝置由離心風機、超聲波霧化器、除霧器、水霧粒子混合室、電控系統等組成。水空氣凈化器不是讓空氣直接通過水來完成過濾，而是首先通過超聲波霧化器，產生1～10微米的水霧顆粒，它們能“捕捉”空氣中細微粒子，特別是粒徑小于0.3微米的粒子。水霧“捕捉”了細微粒子后形成粒徑大于1微米的含塵水霧。最后利用除霧器將含塵水霧去除，達到空氣凈化的效果。

這種方法比起采用HEPA濾網，具有制造成本低、風阻小、易于清洗等優點。

遼寧省沈陽市第一二四中學 潘俊璋

指導老師 康 寧

專家點評：從不同的角度，采用新的方法去解決原有的問題，體現了該學生有較好的科學素養和創新潛質。建議進一步實施科學對比實驗，用數據分析來證明新方法的優點，以及使用的效果。

金之水平打孔裝置

電鉆的鉆頭多為金屬，且尖銳鋒利，是各類工程項目中打孔作業的不二選擇。然而我家在安裝空調使用電鉆時，卻遇到了問題。由于操作時把握不穩定，打的孔都有不同程度的歪曲，結果安裝的螺絲無法保持水平，影響了空調的后續安裝。

為了解決這個問題，我設計了一款可以確保水平打孔的裝置，如右圖所示。我用工程塑料板制作此裝置的垂直支架，用不銹鋼板制成此裝置的主體部分，并在上面安裝了可以滑動的導軌，最后在導軌上加裝固定鉆機用的固定套。使用時，手握電鉆，將垂直支架平穩地靠在墻上，對準預打孔的位置，啟動電鉆，逐步推進，一個水平孔就完成了。

這款水平打孔裝置，不僅安全實用，而且可以根據不同情況更換鉆機，非常方便。

上海市民辦永昌學校 柳嘉毅

指導老師 楊慶國

專家點評：本研究體現出該學生對生活有一定的觀察和思考，能發現生活中的問題并予以可行性地解決。建議實驗研究中進一步增加定量的準確性，考慮支架的牢固度和精確性，提升人體工程學效果。

木之可伸縮公交車扶手環

木頭的可塑性強，且堅固耐用，可以用于制作很多裝置的小部件。所以，我將其用于自己的小發明。

我發現，中小學生在乘坐公共交通時，因為個頭矮的關系，有時候夠不著車上吊著的扶手環，造成乘車過程中的安全隱患。我想如果扶手環的高度是可調的就好了，于是我打算設計一款可伸縮的扶手環（如右圖）：在扶桿上設置伸縮扶手環的按鈕，當扶手環太高，需要降低時，就按下拉伸按鈕；使用結束后，再按下收縮按鈕，扶手環就可以恢復到原來的高度了。

上海市松江區九亭中學 陳沛琪 指導老師 王永鑫

專家點評：此方法在邏輯上是可行的，創意簡單實用，有一定的可操作性。建議進一步研究時，要考慮扶桿機構的合理設計、使用時的效果、牢固程度與安全性等問題。

火之紅外監控滅火系統

很多火災的發展過程變化迅速，滅火措施越早投入實行就越能挽回火災損失。所以，我想設計一個系統，它能夠自動識別高溫現象、發出警報，并根據實際情況自動或人工遠程觸發滅火彈進行滅火，盡可能將火情消滅在萌芽中。

這個系統的運作如工作流程圖所示。首先是采用機器視覺結合紅外線檢測，監控可能的火源燃燒所造成的紅外線熱點；然后，通過立體視覺原理進行燃燒點位置測定；接著，利用計算機算出發射滅火彈的合適角度和方向；最后，控制執行機構發射一個或若干個大小合適的滅火彈，射擊火源燃燒點，以達到及時滅火的目的。

對于滅火彈，可以采用外包薄塑料殼的滅火液球或者固體干冰球。它擊中火源后，能迅速降低火源區域的溫度或者隔絕氧氣，從而滅火。

此外，在系統安裝時，要根據實際情況，針對不同的區域實行不同的觸發級別。比如，對火鍋店或餐館烹飪區域，觸發警戒溫度閾值應比服裝銷售區域高；再如，對烤肉店的桌子上的正常烤肉火點，可以設定厘米級的屏蔽區域，在該區域內出現明火，不予觸發……

上海大學附屬中學 丁 璽

指導老師 汪玥輝

專家點評：本創意作為一個系統運作的設想，還是考慮得比較周到完整的。建議項目設計還要更具體化，并考慮效果達成度、可操作性、產品性價比等實際問題。

土之地窖通風裝置

在我的家鄉，很多人家都設有地窖，平時主要用來儲存紅薯或蔬菜。雖然地窖帶來許多便利，但有時窖內存放的紅薯、蔬菜等農作物腐敗分解，會產生硫化氫、氨氣、二氧化碳等氣體。如果這些氣體越積越多，且無法溢散出去，那么人一下到地窖內就會中毒或因缺氧窒息。

于是，我們開始冥思苦想，如何設計地窖，才能讓地窖更加安全呢？我們從非洲草原犬鼠挖的洞穴的結構得到了啟發。如右圖所示：它們的洞穴有兩個口，一個在平地上，而另一個則在隆起的土堆上。這種結構使得吹過平地的風速小，穴口壓強大；吹過隆起土堆的風速大，穴口壓強小。因此，洞穴內的空氣存在壓強差，從而保證了洞穴內的通風。

根據這個現象，我們設想為地窖加裝一個通風裝置（如左圖）。當裝置上方刮風時，空氣流速大，壓強小，大氣壓會把地窖底部的廢氣壓上去，從而抽出廢氣。

通風裝置上部用彈簧固定一個倒放的機翼片，一是可以防雨，二是能加大空氣流速。如果風速過大，機翼片在壓強作用下，壓迫彈簧向下移動，使封氣閥封閉氣流通道，保證凜冽的寒風不會大量進入地窖，以防止農產品被凍壞。

安徽省蕭縣中學 楊心語 張雅寧 吳雨晗

指導老師 李 峰