“绿色”浴桶

张正直++张一涵

木桶浴作为一种健康的沐浴方式，能加快血液流动、缓解疲劳，在木桶中加入药粉还能起到治病、美容的效果。可是，洗完木桶浴后废水的二次利用问题也随之而来。

如何让洗澡水经过滤水处理之后，可以盛放在木桶里以供二次利用？带着这个问题，我们开始了创新研究。

一、方案构思

如何让浴桶里用过的水变干净？我们首先想到的是过滤。哪种过滤方式最适合？过滤后的水不能腐蚀木桶，也不能影响视觉观感，主要用于洗拖把、抹布、冲厕所等。

洗澡水 一、仙女杯的成像原理

凡是见过仙女杯的朋友都会为它的美观、奇特惊叹不已。它的外形如同一个倒置的铜铃，杯口较大，安装在细脚玻璃杯座上，在外壁上恰到好处地绘有美丽的花纹或图案，杯口用金丝镶饰，杯底中央嵌装一块小小的 凸透镜。

空杯时，只能看到杯壁上亮丽的花纹和奇异的图案。可一旦斟入洁净的水后，就会发现杯中的仙女随即出现，栩栩如生，随着时间的推移，仙女的舞姿变幻无穷。这是为什么？

原来，在杯脚里有一根非常细的游丝，游丝的一端固定，另一端连着一个彩色的仙女图案。此时仙女恰好位于杯底小凸透镜的焦点外侧小于2倍的焦距处。当杯中无水时，美丽的仙女经过凸透镜形成的是放大的实像。为什么我们看不到这个实像？

其一，由于该实像与人眼位于凸透镜的同侧，人眼难以恰好位于成像所在的位置，所以难以看清它。

其二，根据日常生活经验，在漆黑的夜晚，当室内亮着灯时，人眼从室内难以看到室外的人或景物，但室外的人可以清楚地看到室内的人或景物。

这是因为人眼视物具有“选择性”，也可以说是“惰性”，即人眼只对背景中亮丽或暗淡的部分比较敏感，而对被强光所抑制的光线不敏感。即人在暗处接受亮处来的光线能产生反应，而在亮处对从暗处来的光线常常会“视而不见”。

为什么在杯中倒入水就能看到仙女？这是因为当向杯中倒水时，水容易浸润玻璃，使杯中的水与杯壁及杯底形成一个凹透镜。凹透镜对光具有发散作用，该凹透镜又与杯中的小凸透镜组合，形成一个复合透镜。

复合透镜的焦距比杯中的小凸透镜的焦距大，削弱了对光的汇聚能力，恰好使仙女位于此复合透镜的焦点以内，于是仙女通过该透镜组形成了一个正立、放大的虚像。此虚像与原仙女的图片位于透镜组的同侧，即位于杯底，并且恰好位于人眼明视距离处，因此人眼就可以看到杯中的仙女了。

为什么杯中的仙女还会翩翩起舞？这是因为我们端起杯子時，手不可避免地抖动，导致杯中的游丝发生微小的振动，由于光的折射作用，我们看到的仙女就会翩翩起舞了。

这种情景就如同我们观察清澈河水底部静止的石子，当一阵微风吹来，水面波动，我们就会误认为石子在晃动的道理一样。

二、“长寿老人图”之谜

中秋之夜，小聪与爸爸、妈妈一起到爷爷、奶奶家去吃团圆饭。吃饭时，爸爸拿出一个“魔术酒杯”送给爷爷，祝爷爷长寿。小聪主动拿去清洗，当他向杯中倒水时，发现杯底出现了一幅“长寿老人图”，他拿给爷爷看，爷爷看后非常高兴。可当他把水倒掉后，原来杯中的“老人长寿图”便不见了。

他向爸爸讨教，爸爸告诉他这与 “凸透镜成像”有关，要想揭开这层神奇的面纱，还需自己认真探索。

根据上面介绍的仙女杯，相信你一定能帮助小聪弄清楚“长寿老人图”中的奥秘。一般有如下特点：有较大颗粒的悬浮物——这部分可使用过滤棉吸附，形成过滤饼；有污垢沉淀——这部分一般会沉在底部，我们想利用漩涡的原理搅动水，使之快速隔离外流去除，不再另行处理；还有溶解其中的微粒——采用陶瓷环生物净水和活性炭吸附净水二级过滤。

为了让浴桶里的水能自动清洁，可用潜水泵将水提至高处，经过三级垂直过滤后循环流入浴桶，周而复始，浴桶里的水就会变得洁净。

二、设计原理

1.三级净水原理

表层过滤： 以表层筛滤作用为主，易在滤料表面形成滤饼，适宜去除较大的悬浮物，如表面浮污、肥皂泡沫等。

深层过滤：以沉降作用和吸附凝聚作用为主，主要在介质内部进行。由于在介质表面无滤饼形成，可充分发挥滤料层的纳污能力。

陶瓷环过滤：由于陶瓷环上布满细孔，适于硝化细菌繁殖，可起到净化水质的作用。

2.重力原理

物体由于地球的吸引而受到的力叫重力。重力的施力物体是地心，重力的方向总是竖直向下。物体受到的重力的大小与物体的质量成正比。

3.压力提升原理

采用潜水泵提升水位，水泵控制系统由密闭外壳、水泵以及液位控制系统三部分组成，属机电一体化产品，电机与水轮共用同一轴（转子），整个水泵长度短，结构紧凑。如图1所示。

三、设计制作

“绿色”浴桶由潜水泵、导流水管、三级垂直过滤槽、活性炭吸附过滤槽、半透膜过滤槽组成。

浴桶中的废水被提升后经过三级垂直过滤，再次流回浴桶中，周而复始，浴桶中的废水就会变洁净。

我们买来水泵、过滤材料（木炭包、过滤棉、陶瓷环等）、导水管、塑料盆、连接绳等制作模型。

四、试验优化

模型做好后，我们进行了初步试验，发现以下问题：过滤棉水槽积水较多，整体结构稳定性较差。

我们又制作了第二代模型。所选择的过滤盆的大小恰好相切又留有一定空间，让整体结构更稳定。将该结构固定在一个金属支撑架上，在陶瓷环过滤池下垫上丝袜，阻止漂浮污垢“逃跑”。

该设计基于水过滤技术，采用三级垂直过滤方式，实现浴桶自体净化，从而解决洗澡水的二次利用问题。木桶洗浴水无需使用外在介质存放，在电力水泵作用下，洗浴水进行不间断过滤。该装置结构简单，成本低廉，易于推广，能大大提高水的二次利用率。

五、未来改进

1.目前的设计采用电力提供动力，未来可改用太阳能。

2.让外观更美丽。

3.除使用过滤技术外，还可采用深层过滤，取得更好的水质净化效果，进一步拓展二次利用的领域。

4.加入自加热设计，让浴桶在洗浴过程中就能自行清洁。（指导老师：周 萍）endprint