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貓體力學!喵星人的固液態之謎——2017搞笑諾貝爾物理學獎

Rock Sun
・2017/11/15 ・1860字 ・閱讀時間約 3 分鐘 ・SR值 531 ・七年級

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前有薛丁格討論貓的生死,現有論文討論貓是否為流體。

就算牠一天到晚鄙視你要你清貓砂,喵星人在科學研究上也貢獻了很多的心力啊~

現在人也討論”貓“是否為流體,圖/by purdypotato@imgur。

一直以來,正常人分辨氣體、液體和固體的方式很簡單 :只要他有固定的體積和形狀,它就是固體;如果他有固定的體積但形狀會隨容器改變,它就是液體;如果它只要可以,就會變形和改變體積,它就是氣體。

根據這個原則,一個論壇(boredpanda.com)中的網友整理出了一系列貓「維持體積,但隨著容器改變形狀」的圖片,欲證明貓其實是液體。這篇論文的作者Marc-Antoine Fardin 在看過這些圖片之後,決定用更科學的方式,來探討喵星人是否真的符合流體的條件。

Image credits: guremike

在這之前,需要先知道一下他判斷的依據——底波拉數。

底波拉數(De)是假設在時間足夠的條件下,即使是最堅硬的物體(例如山)也會流動,因此流動特性不是一個材料本身的絕對屬性,而是一種相對屬性,底波拉數中整合了材料的彈性粘滯度。若底波拉數越小,材料特性越接近流體,底波拉數非常高時,則越接近固體。

底波拉數我們可以用 De= t/T,來表示,其中 t 為馳豫時間,而 T 為觀測時間尺度的比值。馳豫時間表示一材料反應施力或形變時所需要的時間,熱力學上就是達成熱平衡的時間;而觀測時間尺度是指探索材料反應的實驗(或電腦模擬)的時間尺度,後者是接下來判斷的重要依據,因為如果貓在達成平衡狀態、反應施力的時間都差不多的話,與底波拉數最有關係的就是觀測到這個行為的時間究竟是長是短。

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簡單的說~我們只需要看到貓的行為表現,就可以用底波拉數來定義「貓是否為液體」。

所以這位作者做的事情很簡單~ 他從那位網友提出的圖片中挑了幾個具有代表性的,並從這些圖片檢測貓貓的流體性質,如以下:

(a.)  這隻跳起來在空中旋轉的貓符合底波拉數上「固體」的定義。因為牠在極短的觀測時間中發生了旋轉、彈跳、型變,因為整個過程發生的時間極短,所以De>1。

(b.)  當貓再慢慢地發生形變、把杯子填滿的的時候,我們就需要把觀測時間拉長一點,因此De<1,較符合液體的定義。但和(a)綜合下來,儘管是不同一隻貓,我們還是可以先把馳豫時間t定為1秒~1分鐘之間。

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(c,d)  如果是老一點的貓,可能會有更長的延展時間(T)來發生同樣程度的型變、反應、熱平衡,所以會更接近液體,甚至趨近於氣體,理論上打破我們「貓是不可壓縮」的解設;而年輕的貓更好動,不只可以用更少的延展時間T來達到平衡,整個馳豫時間t持續的時間可能會更長 (因為停不下來),所以更接近固體。

當然這些只是少數的喵體表現,要試證明牠們是液體,就需要看到一些液體(或是類似液體的東西)才會有的特性:

(a.)當貓咪對物體的附著力大於內聚力的時候,也能進行液體獨有的毛細現象。貓體沿著身體軸心型變的時候,牠們比較習慣呈現鬆弛的狀態,所以比起側向他們更容易前後延展;再來,大部分的時候貓都是呈現表面流(有任何一面是接觸空氣,而非如下水道般的管流),所以比起貓本身的物理特性,牠與接觸面的物理性質之間的關係更加重要,才會產生這個現象。

(b.)貓體與某些物體接觸,會呈現一個極大接觸角,產生杯子表面的水會因為表面張力形成弧形的現象一樣,展現出貓也能承受剪力。

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(c.)就像瓶子中的番茄醬一樣,如果貓體的狀態低於自己的屈服應力,就不會流動,看起來像固定在罐子底部一樣。

(d.)當貓體散佈在不平整結構上的時候,就會發生這樣的情況,看似黏滯性極大的液體。

(e.)有時候貓體又據有疏水性。

(f.)光滑地板上貓體會產生的反應,牠們和硬質木板間的相對速度及剪應力、黏滯性表現,很像把水倒在地板上的行為。

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(g.)貓體在垂直牆壁上也會因為重力產生黏稠度。

以上就是作者整理出來,貓作為液體(更精確一點是流體)應該會產生的現象,而我們的喵星人都發生了…….所以牠們到底是流體還是固體呢?

從排水孔流走了(來源:giphy)

原始文獻:Rheology of……. Cats

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Rock Sun
64 篇文章 ・ 880 位粉絲
前泛科學的實習編輯,曾經就讀環境工程系,勉強說專長是啥大概是水汙染領域,但我現在會說沒有專長(笑)。也對太空科學和科普教育有很大的興趣,陰陽錯差下在泛科學越寫越多空想科學類的文章。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。 "我們只想盡我們所能找出答案,勤奮、細心、且有條理,那就是科學精神。 不只有穿實驗室外袍的人能玩科學,只要是想用心了解這個世界的人,都能玩科學" - 流言終結者

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快!還要更快!讓國家級地震警報更好用的「都會區強震預警精進計畫」
鳥苷三磷酸 (PanSci Promo)_96
・2024/01/21 ・2584字 ・閱讀時間約 5 分鐘

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本文由 交通部中央氣象署 委託,泛科學企劃執行。

  • 文/陳儀珈

從地震儀感應到地震的震動,到我們的手機響起國家級警報,大約需要多少時間?

臺灣從 1991 年開始大量增建地震測站;1999 年臺灣爆發了 921 大地震,當時的地震速報系統約在震後 102 秒完成地震定位;2014 年正式對公眾推播強震即時警報;到了 2020 年 4 月,隨著技術不斷革新,當時交通部中央氣象局地震測報中心(以下簡稱為地震中心)僅需 10 秒,就可以發出地震預警訊息!

然而,地震中心並未因此而自滿,而是持續擴建地震觀測網,開發新技術。近年來,地震中心執行前瞻基礎建設 2.0「都會區強震預警精進計畫」,預計讓臺灣的地震預警系統邁入下一個新紀元!

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連上網路吧!用建設與技術,換取獲得地震資料的時間

「都會區強震預警精進計畫」起源於「民生公共物聯網數據應用及產業開展計畫」,該計畫致力於跨部會、跨單位合作,由 11 個執行單位共同策畫,致力於優化我國環境與防災治理,並建置資料開放平台。

看到這裡,或許你還沒反應過來地震預警系統跟物聯網(Internet of Things,IoT)有什麼關係,嘿嘿,那可大有關係啦!

當我們將各種實體物品透過網路連結起來,建立彼此與裝置的通訊後,成為了所謂的物聯網。在我國的地震預警系統中,即是透過將地震儀的資料即時傳輸到聯網系統,並進行運算,實現了對地震活動的即時監測和預警。

地震中心在臺灣架設了 700 多個強震監測站,但能夠和地震中心即時連線的,只有其中 500 個,藉由這項計畫,地震中心將致力增加可連線的強震監測站數量,並優化原有強震監測站的聯網品質。

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在地震中心的評估中,可以連線的強震監測站大約可在 113 年時,從原有的 500 個增加至 600 個,並且更新現有監測站的軟體與硬體設備,藉此提升地震預警系統的效能。

由此可知,倘若地震儀沒有了聯網的功能,我們也形同完全失去了地震預警系統的一切。

把地震儀放到井下後,有什麼好處?

除了加強地震儀的聯網功能外,把地震儀「放到地下」,也是提升地震預警系統效能的關鍵做法。

為什麼要把地震儀放到地底下?用日常生活來比喻的話,就像是買屋子時,要選擇鬧中取靜的社區,才不會讓吵雜的環境影響自己在房間聆聽優美的音樂;看星星時,要選擇光害比較不嚴重的山區,才能看清楚一閃又一閃的美麗星空。

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地表有太多、太多的環境雜訊了,因此當地震儀被安裝在地表時,想要從混亂的「噪音」之中找出關鍵的地震波,就像是在搖滾演唱會裡聽電話一樣困難,無論是電腦或研究人員,都需要花費比較多的時間,才能判讀來自地震的波形。

這些環境雜訊都是從哪裡來的?基本上,只要是你想得到的人為震動,對地震儀來說,都有可能是「噪音」!

當地震儀靠近工地或馬路時,一輛輛大卡車框啷、框啷地經過測站,是噪音;大稻埕夏日節放起絢麗的煙火,隨著煙花在天空上一個一個的炸開,也是噪音;台北捷運行經軌道的摩擦與震動,那也是噪音;有好奇的路人經過測站,推了推踢了下測站時,那也是不可忽視的噪音。

因此,井下地震儀(Borehole seismometer)的主要目的,就是盡量讓地震儀「遠離塵囂」,記錄到更清楚、雜訊更少的地震波!​無論是微震、強震,還是來自遠方的地震,井下地震儀都能提供遠比地表地震儀更高品質的訊號。

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地震中心於 2008 年展開建置井下地震儀觀測站的行動,根據不同測站底下的地質條件,​將井下地震儀放置在深達 30~500 公尺的乾井深處。​除了地震儀外,站房內也會備有資料收錄器、網路傳輸設備、不斷電設備與電池,讓測站可以儲存、傳送資料。

既然井下地震儀這麼強大,為什麼無法大規模建造測站呢?簡單來說,這一切可以歸咎於技術和成本問題。

安裝井下地震儀需要鑽井,然而鑽井的深度、難度均會提高時間、技術與金錢成本,因此,即使井下地震儀的訊號再好,若非有國家建設計畫的支援,也難以大量建置。

人口聚集,震災好嚴重?建立「客製化」的地震預警系統!

臺灣人口主要聚集於西半部,然而此區的震源深度較淺,再加上密集的人口與建築,容易造成相當重大的災害。

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許多都會區的建築老舊且密集,當屋齡超過 50 歲時,它很有可能是在沒有耐震規範的背景下建造而成的的,若是超過 25 年左右的房屋,也有可能不符合最新的耐震規範,並未具備現今標準下足夠的耐震能力。 

延伸閱讀:

在地震界有句名言「地震不會殺人,但建築物會」,因此,若建築物的結構不符合地震規範,地震發生時,在同一面積下越密集的老屋,有可能造成越多的傷亡。

因此,對於發生在都會區的直下型地震,預警時間的要求更高,需求也更迫切。

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地震中心著手於人口密集之都會區開發「客製化」的強震預警系統,目標針對都會區直下型淺層地震,可以在「震後 7 秒內」發布地震警報,將地震預警盲區縮小為 25 公里。

111 年起,地震中心已先後完成大臺北地區、桃園市客製化作業模組,並開始上線測試,當前正致力於臺南市的模組,未來的目標為高雄市與臺中市。

永不停歇的防災宣導行動、地震預警技術研發

地震預警系統僅能在地震來臨時警示民眾避難,無法主動保護民眾的生命安全,若人民沒有搭配正確的防震防災觀念,即使地震警報再快,也無法達到有效的防災效果。

因此除了不斷革新地震預警系統的技術,地震中心也積極投入於地震的宣導活動和教育管道,經營 Facebook 粉絲專頁「報地震 – 中央氣象署」、跨部會舉辦《地震島大冒險》特展、《震守家園 — 民生公共物聯網主題展》,讓民眾了解正確的避難行為與應變作為,充分發揮地震警報的效果。

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此外,雖然地震中心預計於 114 年將都會區的預警費時縮減為 7 秒,研發新技術的腳步不會停止;未來,他們將應用 AI 技術,持續強化地震預警系統的效能,降低地震對臺灣人民的威脅程度,保障你我生命財產安全。

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鳥苷三磷酸 (PanSci Promo)_96
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【貓奴指南】把「貓界大麻」貓薄荷抹在身上,除了方便吸貓/給貓吸還有什麼作用?
PanSci_96
・2024/02/20 ・512字 ・閱讀時間約 1 分鐘

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為什麼貓這麼喜歡貓薄荷呢?

原來是貓薄荷裡的荊芥內脂導致貓咪吸了貓心大悅,不住翻滾、流口水、打呼嚕。

但是,貓薄荷不是對所有貓都有用。不到六個月的小貓似乎不會有反應,而且有的貓喜歡,有的貓不喜歡……咦,這還和遺傳有關係嗎?

想要同時驅蚊,又讓貓貓情不自禁饞你身子嗎?那你一定要試試貓薄荷!

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荊芥內脂不只會讓貓咪快樂似神仙,也會活化蚊子體內的受體蛋白,接觸到的蚊子會產生搔癢和刺痛感。哈哈小蚊子,你也來嘗嘗癢癢痛痛的痛苦!

給你的貓貓來點刺激的快樂草吧!

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貓奴注意!喵星人石化開關的秘密——《真的假的!奇怪知識又增加了》
晴好出版_96
・2023/07/31 ・1499字 ・閱讀時間約 3 分鐘

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石化的貓咪

如果我們想要驗證「掐住貓的後脖頸,貓就會乖乖石化」這件事,我們會試著掐掐自己養的貓,頂多再去掐掐朋友家養的貓。

但科學家找來了 31 隻喵星人,為牠們分組進行實驗,分析實驗資料,再進一步找出原因。布芬頓就是這樣的科學家。布芬頓認為,如果夾住後脖頸是「裝死開關」,那麼年齡、性別對喵星人這種反應的影響應該不大;相反,如果反應與年齡、性別有相關性,那麼這大概就不是裝死開關。

在他找來的 31 隻貓中,有 13 隻貓年齡在 5 歲以內,包括 5 隻雄性,8 隻雌性;還有 18 隻貓年齡介於5∼10 歲,包括 11 隻雄性和 7 隻雌性。布芬頓用壓力同樣為 140 毫米汞柱的夾子夾住牠們的後脖頸,觀察這些貓的反應。

實驗結果顯示,第一組的 13 隻貓中 12 隻有反應;第二組的所有貓都有反應。看起來,這的確是個與性別、年齡無關的「裝死開關」。

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然而,布芬頓發現,這些貓被夾起來以後,儘管會出現軀體靜止、脊柱捲曲拱起、尾巴夾在兩腿之間等舉動,但並沒有出現瞳孔渙散、體溫下降、心跳減慢等典型的裝死行為,有些貓甚至還會發出很享受的呼嚕聲。也就是說,這些貓產生的很可能並不是所謂的緊張性靜止行為,而是一種掐捏誘導的行為抑制(pinch induced behavioral inhibition,簡稱 IBI)

來自演化的行為抑制

一個月之後,布芬頓用這 31 隻貓重複進行了實驗。他發現,隨著時間推移,年齡比較大的貓對夾子的反應會變弱。到了第三個月重複實驗的時候,只有大約三分之二的貓還會對夾子有明顯反應,主要是年齡偏小的貓。

最後,布芬頓得出結論,貓被掐住後脖頸的行為是一種緊迫反應,來自進化,可能與母貓搬運小貓有關。

在進化過程中,那些被媽媽咬住後脖頸時還瘋狂亂動的小貓很容易被摔死,自然選擇(編按:也就達爾文所提出的 Natural Select)讓那些擁有「媽媽咬住後脖頸就要變乖」基因記憶的小貓存活了下來。

貓媽媽叼住小貓的後脖頸。圖/《真的假的!奇怪知識又增加了:自說自話的總裁顛覆認知的科學奇想

我們可以想像這樣的場景:在野外,帶著小貓的貓媽媽突然遭遇捕食者的襲擊,準備一口叼起自己的寶寶撒腿就跑,這時亂動亂叫的小貓就很難存活下來。也就導致了現存的所有貓科動物的基因中都寫了這樣一條紀律:被抓住後脖頸,就要老實點。甚至不管你是貓、獅子,還是老虎。

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布芬頓在實驗中還發現了一個現象:基本上每隻貓,不管年齡、性別,在第一次被夾住後脖頸時,都會產生行為抑制的反應。但隨著頻繁被夾,年齡較大的貓的反應會慢慢減弱。

這也正符合「小貓基因記憶更強,更需要有強烈反應」的邏輯。更進一步,布芬頓還從狐狸、浣熊、老鼠等動物身上找到了支持這個理論的依據。

後來,布芬頓教授根據這個理論, 設計了一款「Clipnosis」的擼貓神器,賣得相當好。Clipnosis 這個詞來自clip+hypnosis,正是「夾子」+「催眠」的意思。

當然,大家在家完全可以用文件長尾夾或者晾衣服的夾子來嘗試這種「擼貓黑科技」。但夾子的力度一定要掌握好,如果壓力太大了,貓疼,你也要做好被貓爪神功襲擊的準備。

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——本文摘自《真的假的!奇怪知識又增加了:自說自話的總裁顛覆認知的科學奇想》,2023 年 7 月,好出版,未經同意請勿轉載。

晴好出版_96
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