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科學寶可夢 #009 水箭龜:打穿鋼板的洪荒之力

身為一名訓練師,你真的了解你的寶貝們嗎?寶可夢圖鑑讀熟了沒?

其實圖鑑告訴你的比想像中的還多喔!國外玩家建立了這個 Scientific Pokedex 網站,來跟大家分析這些寶可夢們是如何使用科學力來戰鬥的。

泛科學最近也會挑幾篇內容來跟大家分享一下。

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圖/Scientific Pokedex

御三家的噴水戰車:#009 水箭龜

說到水箭龜,大家第一件想到的八成是那突兀的兩根砲管,砲管長在生物身上已經瞬間超越常識了,就算人類再演化個數萬年可能也無法達成這個里程碑,儘管自然界有如射水魚這種可以使出水槍的生物,但長出砲管也太豪邁了吧!

在開始 Scientific Pokedex 的本文前,我第一個覺得奇怪的地方是水箭龜的體重。

世界上身長超過 1.6 公尺的烏龜並不稀奇,加拉巴哥陸龜身長就差不多是 1.6 公尺,但是水箭龜最弔詭的問題是體重。加拉巴哥陸龜體重最少也有大約 175 公斤,但是水箭龜平均體重只有 85 公斤……,差了一半,莫非他體內都是空氣!?

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烏龜內部骨骼。圖/dkfindout

等等,這或許很合理,因為當水箭龜使出水槍的時候,這些水的來源就是一個問題,水的來源不外乎:

  1. 水戰龜體內的水分
  2. 環境四周的水分
  3. 龜殼內腔室儲存的水分

最有可能的是第三者(注1),只要平常水箭龜有儲存水分,在適當的時候就有水量使出水槍。

而使液體從身體內噴出的方式不外乎就是壓力差,而產生壓力差的方式,生物上大概就是肌肉收縮或氣體壓縮。有看過烏龜骨骼的人就會知道,其實龜殼內是空的,如果這些空間分為儲水腔室和提供動力的高壓空氣的話,那麼水箭龜的體重或許就說得通了,而他們噴射水柱的原理就跟搖動過的可樂或玩具水槍的道理是一樣的。所以這段的結論就是,其實水箭龜都是虛胖啊(注2)!

以上純屬我的腦補,但這次 Scientific Pokedex 的重點是放在水箭龜的圖鑑介紹上。在神奇寶貝圖鑑中,有這麼一個敘述(注3):

「從他龜殼上大砲噴出的水柱足以打穿厚鋼板。」

一個物質能承受的力量看似是很難得到的資訊,但其實極限抗拉強度(Tensile Strength)的圖表已經幫我們找出了大部分的物質特性。極限抗拉強度代表的是「一個物質在斷裂或破壞前所能承受的最大應力」。對鋼鐵而言,我們藉由查表能得知最大能承受的應力為 400~550 兆帕(注4),屈服強度是 250 兆帕(注5)。

這時我們需要一個重要的數據,就是水箭龜的砲管截面積,從各種圖鑑上做一些比例上的運算,可以得到直徑大約 20公分(注6)。假設水箭龜在使出水槍到水打中鋼板時都以一樣的功率輸出,而作用在鋼板上的節面積等於他的砲管節面積,要達到可打穿鋼板的能量,我們計算得出大約 17,000,000 牛頓(注7)。

這 17,000,000 牛頓全部集中在一門砲管上,要得到水從砲管噴出的速度,我們需要從與鋼板撞擊的過程中得知。假設我們把噴出的水柱視為一個不間斷的球體,這時一個直徑 20 公分的球體,它的質量大概是 5 公斤(注8),當這樣一個球體撞擊鋼板時,假設它將能量全轉移至鋼板上,我們來將動能公式稍微轉換一下

攻勢

把數字都代進去,得知水柱從水箭龜砲管中噴出的速率是每秒 825 公尺。給大家作為比較,一般消防隊的水管噴水速率是每秒 20~30 公尺(注9),現代的步槍子彈速度是每秒 1200 公尺,至於砲彈的速度則是介於每秒 800~1000 公尺之間,所以水箭龜的砲管是名副其實的大砲。(注10)

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圖/Giphy

但還有一個東西叫後作用力,從動量守恆: mv=MV,5 公斤的水球之於 85 公斤水箭龜本身,計算後我們可以得到水箭龜理論上會以每秒 48 公尺的速度向後飛,也就是時速 172.8 公里,比普悠瑪還快。(注11)

但是大家都知道,你不會在命令你的水箭龜使出水槍之後瞬間顯示「你的水箭龜以高速向後飛離了戰場」(注12),事實上他每一次似乎都好端端地承受這每秒 825 公尺的反作用力,所以我們下一個問題大概會是:水箭龜的腳底是產生出了多大的摩擦力抵銷了後作用力。在開始算之前,我預測這大概會是有史以來最詭異的腳皮。

 

 

注解:

  1. 我們不曾看到水箭龜使出水槍而脫水的狀況,也沒看過使出水槍的水箭龜身邊土表乾裂、河水乾枯的情況,固得結果為 3。
  2. 其實光是加拉巴戈象龜的殼(175 磅)就跟水箭龜一樣重了,這裡如果要幫忙找藉口,就是水箭龜的龜殼可能是某種特殊材質,又輕又堅固。不管怎樣,脫下龜殼的水箭龜可能跟沙瓦郎一樣纖細吧;另外一個可能就是這是水箭龜的「乾重」。
  3. 歷代神奇寶貝圖鑑對水箭龜的描述都大同小異,除了上述的的打穿鋼板外,另外幾種版本是:水槍非常準確,可以打中 160 英尺外的鐵罐;他進化的非常笨重,以抵銷後作用力;使用高壓水柱進行遠距離攻擊……等。有使用鐵板敘述的有銀、鑽石、珍珠、白金、黑、白、魂銀這些版本。
  4. 兆帕,也就是 MPa,等於 106 帕斯卡,帕斯卡(Pascal)為每平方米 1 牛頓,都是壓力單位。
  5. 這篇文章用的鋼板,是指美國材料試驗協會規定的 A36 Steel,在做成鋼板、鋼條上通常厚度不會超過 20 公分。屈服強度是指金屬材料發生屈服現象時的屈服極限,亦即抵抗微量塑性變形的應力。
  6. 20 公分是  Scienftific  Pokedex 的預估,但筆者自己從網路上各種圖片量測,得到的直徑大概都是 12 公分。
  7. 以最大值 550 x 10-6兆帕來運算,水箭龜的水柱截面積為 0.0314 平方公尺,兩個相乘得 17278759.59 牛頓。
  8. 筆者自己的計算結果是 4.2 公斤,如果這樣的話之後結果將近每秒 900公尺,有點太快了(?)。
  9. 寶可夢黃版圖鑑對水箭龜的敘述是:「瞄準之後射出的水柱,速度比消防水柱還強」,這已經是不同檔次的速度了,我說這位博士你是紀錄到一隻營養不良的水戰龜吧。
  10. 假設水箭龜那空蕩蕩的腔室內都是水,那麼大概會有 90 公斤,也就是 90 公升的水量,這水量在這種秒速 825公尺的輸出能力下,單根砲管在 0.0035 秒內就把水戰龜抽乾了。
  11. Scientific Pokedex 的計算是假設水箭龜使用水槍的整個時間內體重恆定於85公斤,並且兩根砲管加起來的輸出才能打穿鋼板,但是水來自於莫名的次元。如果要考慮我所提出的「龜殼內有裝水的腔室」(水箭龜樂使用水槍體重越輕),並且每根砲管都有單獨打穿鋼板的力量,那麼整個算法將會改寫。
  12. 這前提是後作用力作用在腳上,但以水箭龜發射水槍的身形,我們可以發現這些後作用力是作用在上半身,所以它大概會是以一個華麗的水車向後翻滾,消失在對戰中。

參考資料:

  1. Scientific Pokedex 
  2. 維基百科 (tensile strengthA36 steelbullet speed
  3. Pokemon Database 
  4. Animal Corner.com

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關於作者

Rock Sun

泛科學的實習編輯,目前就讀台大生物環境系統工程系,勉強說專長是啥大概是水汙染領域,但這或多或少已經不重要了。除了環境外,也對太空科學和科普教育有很大的興趣。在吊車尾的物理數學影響下,多次在思考自己到底喜歡什麼,最後回到了原點:我喜歡科學,喜歡科學帶給人們的驚喜和歡樂。

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