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《數學X網路X友情》——2018數感盃 / 高中組專題報導類佳作

數感實驗室_96
・2018/04/12 ・2774字 ・閱讀時間約 5 分鐘 ・SR值 532 ・七年級

「數感盃青少年寫作競賽」提供國中、高中職學生在培養數學素養後,一個絕佳的發揮舞台。本競賽鼓勵學生跨領域學習,運用數學知識,培養及展現邏輯思考與文字撰寫的能力,盼提升臺灣青少年科普寫作的風氣以及對數學的興趣。

本文為 2018數感盃青少年寫作競賽 / 高中組專題報導類佳作 之作品,為盡量完整呈現學生之作品樣貌,本文除首圖及標點符號、錯字之外並未進行其他大幅度編修。

圖/pxhere
  • 作者:林哲宇、陳景熙、李澤/成功高中

「欸,網路借一下。」
「開一下啦。」
這些令人苦惱的問題,總是充斥在擁有行動網路的同學之間,深深困擾著他們。

在學校,只有少數的學生,手機擁有無線網路,他們經常受人覬覦,總是受到沒有網路的人的苦苦哀求和情感的勒索,要求他們開啟網路分享。但是這些擁有網路的學生,並不是每個人都擁有「吃到飽」的網路,也就是沒有使用流量限制的網路,他們往往只有學生專案裡僅僅 5G、3G,乃至於僅 1G 的數據流量,他們縮衣節食般的小心使用,深怕會超過他們的數據限制,而被迫支付超額使用的高價費用,於此同時,他們必須適度分享他們的網路給沒有網路的同學,以維持他們和同學之間的友誼關係。

友誼的定義曾經是如此單純,但是在這科技化的年代,友情,已經從午餐的雞腿,演變成了行動網路。為了拯救這些深陷水火之中,徬徨面對人生的十字路口,在友情和行動網路流量之間做著無限掙扎的同學們,只有透過找出最合適的網路使用,才能夠挽回同儕間的友誼,找回當初最純粹而美好的情誼。

莎士比亞:「有很多良友,勝於有很多財富。」友誼像清晨的霧一樣純潔,金錢並不能得到友誼,唯有最真摯的行動網路,可以贏得友情。

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古人有云:「知己知彼,百戰百勝」,在進入這場屬於數據的戰爭前,我們必須先了解敵我,掌握有利情報,才有機會打贏戰爭,成為箇中佼佼者。

根據國立成功大學、亞洲大學所執行的「學生網路使用情形調查報告」,在平日,學生每天平均會使用 75.2 分鐘,假日則平均使用 266.1 分鐘,由此來看,學生每個月的網路使用時間約在 72.5X20+266.1X10=4165 分鐘,又根據高苑科技大學通識教育中心所執行的「大學生網路使用行為與網路影響之研究」,學生上網時,花費在遊戲的時間佔 25.67%,傳輸訊息的時間佔 26.26%,上社群軟體的時間佔 11.34%,查資料的時間佔 16.42%,看影片的時間佔 6.87%,網路購物的時間佔 6.57%,下載檔案的時間佔 5.97%,值得一提的是,看成人影片的時間佔 0.9%。

進一步,我們實際測量了每項活動所使用的大約流量,得出玩遊戲使用 960k/m,傳訊息使用 18k/m,社群軟體使用 2007k/m,查資料使用 683.89k/m,看影片使用 30000k/m,購物使用 18000k/m,下載檔案使用 42000k/m。

由此,我們可以得出學生每個月約使用 4165X(25.67X960+26.26X18+11.34X2007+16.42X683.89+7.77X30000+6.57X18000+5.97X42000)kb,大約等於33.644 Gb。

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再者,報告中也提到,學生使用網路的場所,在家裡使用的時間約佔 90%,在家裡以外的地方使用的時間約佔 10%,假設學生在家裡會選擇使用家裡的 wifi 網路,則學生每月手機行動網路的使用流量約為 3.36G。

孟子曾經說過:「人之相識,貴在相知,人之相知,貴在知心。」,想要真正的了解周遭的同學朋友,就要了解他們和你借網路的時候,會使用多少的流量,才能做到相知,甚至知心。會被同學們借網路的場所,多在學校和補習班,佔據他們網路使用時間約5%,每月使用流量約為 33.644X5%,約為 1.68G。

雖然友情無法估計,但是借網路給朋友的使用流量,和雞腿的價值,卻是可以衡量的。每個人每月1.68G的流量,不禁讓我們開始懷疑:友情,從過去到現在,從午餐的雞腿到行動網路,究竟改變了多少呢?

電信業者每月 5G 的方案,需要月繳 587 元,代表 1.68G 的流量,價值 197 元,然而一支單點的炸雞腿,大概要花 50 元,假設同學一口可以吃掉約 1/10 的雞腿,代表一個月吃掉的雞腿價值 50X30X1/10=150元。

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友情,真的漲價了。不過,就像白米漲價了,飯還是要吃一樣,就算友情漲價了,依然還是我們的生活必需品。

要想得到別人的友誼,就得先向別人表示友好,網路,便是友好最佳的代名詞,但是,縱使桃花潭水深千尺,還是不及汪倫所使用的網路流量。我們都希望朋友能夠盡情使用網路,但是有限的網路,卻總是讓人在友情和流量之間,做著痛苦的掙扎,究竟在這困難的選擇當中,要如何取捨呢?

假設同學每個月自己使用網路的流量,呈現常態分布,期望值設在 3.4,標準差是 1.7,而同學使用別人分享的網路的流量也呈常態分布,期望值設在1.7,並設標準差為1.7。

魯迅曾說:「人生得一知己足矣,斯世當以同懷視之。」如果今天只有借給一個好同學,在 5G 的方案之下,以常態分布的曲線來看,就有 52.3% 的機率會超過流量限制

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這意味著如果你的目標只是結交一位知己的話,在友情和流量間的取捨,幾乎是對半的機率。如果想要組成三人偶像小團體的話,以常態分布曲線來看,約有 14.5% 的機率,還能夠維持在流量限制下。

以此來看,有5G流量的同學們能夠順利的從友情和流量中的掙扎中走出,但是他們只能專一的結交一至二位朋友,勉強可以度過擁有同儕陪伴和朋友情誼的美好學生生活。

至於辦置10G流量的同學,以常態分布圖來看,他們在和一位同學分享的情形下,超出流量的機率幾乎趨近於 0%

可以達到最理想的狀態,和同學間產生最完美、純真、單純的友誼。如果和兩位同學分享的話,有 97% 的機率可以維持在流量限制裡;

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如果是分享給三位同學的話,維持在限制的機率是81.1%;

分享給四位同學的話,則有45.4%的機率維持流量;

五位同學分享的情況下,則是 13.2%。

由此可見,有 10G 流量的同學至多只能考慮和 5 位同學分享,而且他們無法避免在友情和流量間掙扎抉擇的命運,是否要冒那 86.8%超過限制的機率分享網路給第 5 位同學呢?那是屬於他的人生分界點,他的高中生活,將在這個決定中,在兩個平行宇宙中,分成兩個不同的故事。

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友情和流量,永遠都是兩個難分難解的問題,而這些問題,永遠也沒有正確答案。人生處處有著風險,而只有最能評估、計算風險機率,正確做出決定的人,才能順利過著快樂的學生生活──除非你有吃到飽網路。

文豪泰歌爾曾經說過:「我的朋友,你的網路飄蕩在我的心裏,像那海水的低吟之聲,繚繞在靜聽著的松林之間。」也許過了許多年,同學們都已經成年,在社會的各個角落使用著他們自己辦的行動網路的時候,他們會突然想起曾經有個同學,大方不吝嗇的借給他們行動網路,那些還停留在心裡的低吟之聲會再次響起,那些學生時代的青春回憶會再次冉冉升起。對了,那個借我網路同學叫什麼名字呢?有點想不起來。

更多2018數感盃青少年寫作競賽內容,歡迎參考 2018數感盃特輯、數感實驗室官網及粉絲頁喔。

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數感實驗室_96
76 篇文章 ・ 55 位粉絲
數感實驗室的宗旨是讓社會大眾「看見數學」。 數感實驗室於 2016 年 4 月成立 Facebook 粉絲頁,迄今超過 44,000 位粉絲追蹤。每天發布一則數學文章,內容包括介紹數學新知、生活中的數學應用、或是數學和文學、藝術等跨領域結合的議題。 詳見網站:http://numeracy.club/ 粉絲專頁:https://www.facebook.com/pg/numeracylab/

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不是不會髒,而是更難沾:耐污馬桶的表面科學
鳥苷三磷酸 (PanSci Promo)_96
・2026/09/22 ・3364字 ・閱讀時間約 7 分鐘

本文與 Panasonic 合作,泛科學撰文 

●以下科學研究內容作為知識分享,不直接與Panasonic A La Uno全自動洗淨馬桶產品功能連結

在做家務的痛苦排行榜上,「刷馬桶」絕對名列前茅。明明天天都在沖水,但過不了幾天,馬桶內壁邊角總會浮現黃黃的水垢、角落發黑的霉斑,甚至是那些刷掉又長出來的粉紅色污垢(黏質沙雷氏菌)。

許多市售衛浴設備常標榜「神奇抗污」或「永久不沾」,讓人誤以為安裝後便能永保潔淨。然而從材料科學的角度來看,世上並無能使污垢憑空消失的魔法。所謂「耐污」的實質機制,並非打造完全不沾染髒污的材質,而是調整表面的物理與化學屬性,使水垢和微生物難以強力附著。一旦降低了污垢與內壁之間的附著力,透過日常水流沖刷,便能輕易地將髒污帶走。

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為什麼污垢「黏不住」? 

要搞懂為什麼某些特殊表面能做到「耐污」,我們得先像偵探一樣,拆解馬桶裡的髒污究竟是怎麼「抓緊」材料表面的。馬桶內壁的污垢主要有兩大難纏的元兇:

  1. 水垢與礦物沉積*1:我們日常使用的自來水中含有鈣、鎂等金屬離子。當水滴在表面經歷反覆的濕潤與蒸發乾燥循環時,這些離子會逐漸結晶析出,變成硬度極高、緊緊「卡」在微觀縫隙裡的礦物質水垢。
  2. 生物膜與有機物*2:包含尿液中的無機鹽、油脂殘留,以及細菌入侵後分泌出像超強膠水一般的聚合物,所組成的黏滑防禦大本營。
關鍵不是沖水,而是「這些污垢如何抓住表面」

這兩大類污垢想要在材料上「落腳」,前提是它們必須能在表面找到足夠的附著點與黏合力。那麼,材料科學家是如何讓這些髒污「站不穩」的呢?答案就藏在「表面能(Surface Energy)」與「濕潤性(Wettability)」這兩個核心概念中。

當我們把水滴在某個表面上時,水滴會聚成一顆圓滾滾的水珠,還是迅速攤平開來?這取決於表面的特性:

  • 疏水路線(Hydrophobic)*1:具備低表面能的疏水表面,能顯著減少水分子或污染物與表面之間的極性作用力與氫鍵。水滴在這種表面上會因為表面張力而收縮成水珠,當水珠滾動滑落時,就能順便把表面的灰塵與礦物質顆粒帶走,這就是著名的「自清潔效應」。
  • 親水路線(Hydrophilic / Superhydrophilic)*2:相反地,極度親水的超親水表面則會強烈地吸引水分子,在材料最外層形成一層薄薄的「水化層(Hydration Layer)」。這層水化層就像是實體的液體盾牌,讓油污、蛋白質或細菌無法直接接觸到材料基底,只能漂浮在水膜上方。

如果要用攀岩來比喻:傳統粗糙的表面就像是有許多凹槽的攀岩牆,髒污就像攀岩者,需要找到落腳點並用力撐住才能攀附;而我們做的是抽掉把手點,或是在把手上塗上潤滑油,讓髒污找不到施力點,自然難以停留。

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材料科學的核心:想辦法讓污垢「抓不住」

不給細菌「握手」的機會

解決了水垢,下一個更棘手的對手是「細菌」。

馬桶內壁那些黑黑粉粉、摸起來滑滑的污垢,在微生物學中被稱為「生物膜(Biofilm)」。細菌並不是孤立生長的,當單顆細菌落在表面後,如果覺得環境舒適,它就會開始分泌胞外聚合物(EPS),這是一種天然的超強膠水。細菌們用這種膠水把自己與同伴緊緊黏在一起,並築起堅固的防禦堡壘,這時一般的沖水就很難把它們沖洗乾淨了。

根據《Nature Communications》與《Microsystems & Nanoengineering》的學術期刊研究指出,要阻止生物膜形成,除了化學上的抗菌,材料的「表面微幾何結構」扮演了至關重要的角色。

材料科學領域中有一個著名的「附著點理論(Attachment Point Theory)」:

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  1. 粗糙與微孔洞表面:如果材料表面存在許多微小的裂縫、氣孔或微米級凹洞,細菌(體積通常約 1 到 3 微米)就會興高采烈地鑽進這些小凹槽裡。這些凹槽不僅提供了極佳的機械咬合支點,還能幫細菌擋掉水流的沖刷。
  2. 極致平滑與微結構表面:相反地,如果材料表面做到極致平滑,完全沒有微米級的缺陷;或者反過來設計出尺寸遠小於細菌的奈米結構,細菌的足跡構造(如鞭毛或纖毛)就無法在表面找到穩固的「接觸附著點(Contact Points)」。

當細菌發現自己在這個表面上連「手都握不緊」、隨時會被水流吹走時,它就無法順利定殖並分泌膠水築巢。此外,現代衛浴結構在設計時,也越來越強調「一體成形」與「無接縫工藝」。消除接縫與死角,等於直接拔除了細菌與水垢最喜歡的避風港。

阻止細菌、生物膜找不到「落腳點」

當材料、結構與流體科技組隊聯防 

了解了材料化學與微觀幾何,我們就能勾勒出一座現代耐污馬桶的完整防禦體系:【材料層(低附著力)】+【結構層(無縫平滑)】+【動態流體層(泡沫與水流剪切力)】= 高效清潔!

以市面上備受矚目的 Panasonic A La Uno 全自動洗淨馬桶為例,就是將材料科學、結構工程與流體力學發揮到極致的典型代表:

1. 材料層:有機玻璃系新素材

A La Uno 全自動洗淨馬桶採新開發的「有機玻璃系新素材」(以壓克力高分子為基礎研發的衛浴專用材料,這類高分子成形技術亦被廣泛運用於大型水族館高壓觀景窗與飛機機艙罩)。這種材料表面具備極佳的疏水性與耐水垢特性,水滴不易長時間攤平停留;材質堅固、不易破裂,耐刮、不易造成細小傷痕。通過實驗測試,這種素材配合泡沫洗淨,在沖洗後能有效沖刷掉高達 99.99% 的大腸桿菌,從源頭阻斷細菌定殖。

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2. 結構層:無接縫工藝與三重防濺防護

在宏觀結構上,A La Uno 全自動洗淨馬桶採用無水箱沖水與便器、溫水洗淨便座一體成型設計,減少傳統水箱與座體之間的結構層次及接縫,並搭配可動迴轉式排水系統完成沖洗。更貼心的是其「三重防護」設計:

  • 泡沫防護:在水面上製造一層充沛的泡沫緩衝層,有效抑制男性站立小便時的尿液與污水飛濺;
  • 外圍防護:馬桶邊界特別設計了高約 3mm 的水檔,防止液體延著外壁滴落至地板;
  • 測漏防護:便座與馬桶本體採用不外露的防護設計,避免液體從縫隙飛濺滲漏。
Panasonic A La Uno 全自動洗淨馬桶

3. 動態流體層:雙效泡沫洗淨、漩渦水流與 nanoe™ X

當污垢降落在馬桶內壁時,A La Uno全自動洗淨馬桶 的動態流體科技便接手進行徹底打掃。其「雙效泡沫洗淨」會先釋放直徑約 5mm 的「毫米泡沫」包裹並帶走大塊髒污,再透過直徑約 60微米的「微米泡沫」深入微觀縫隙,徹底溶解殘餘的油脂與細微污垢。接著,配合高度清潔力的「漩渦型強力水流」,利用旋轉產生的流體剪切力,一口氣將附著力已被削弱的污垢剝離並沖走。此外,Panasonic A La Uno 全自動洗淨馬桶還搭襯了 nanoe™ X 健康科技,釋放氫氧離子有效抑制異味與髒污,維持空氣與內壁的良好衛生狀態。

科技讓生活變輕鬆,但物理法則依然誠實

從材料化學的低表面能設計,到微觀幾何的附著點控制,再到流體力學的水流沖刷,一座現代抗污馬桶的演進,縮影了人類如何運用基礎科學來解決日常生活痛點的智慧。

我們習慣將衛生清潔想像成一場與細菌髒污的硬碰硬死鬥。然而,A La Uno全自動洗淨馬桶 等現代衛浴技術的突破,展示了材料科學的另一種聰明思維:不靠強酸強鹼硬打,而是透過物理與化學邏輯,將「污垢固著」的機率降到最低。

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當材料科學與現代衛浴技術結合,刷馬桶不再是一件令人頭痛的辛苦瑣事。透過這些前沿科技的加持,我們得以從繁重的家務勞動中解放,享受更加乾淨、舒適且有品質的日常生活。

*1 參考論文:A metallic anti-biofouling surface with a hierarchical topography containing nanostructures on curved micro-riblets

*2 參考論文:Brushing up functional materials

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解密 Wi-Fi、WLAN、802.11:網路通信的差異與演進
數感實驗室_96
・2024/06/21 ・774字 ・閱讀時間約 1 分鐘

本文由 國立臺灣師範大學 委託,泛科學企劃執行。 

在現代社會,如果我們到咖啡廳或其他公共場所,打開筆電坐下來後,通常的第一句話都是「請問這裡有 Wi-Fi 嗎?」。

沒除了 4G、5G 行動通信以外,Wi-Fi 是我們日常生活中常用的上網方式。那麼,Wi-Fi 到底有什麼特點呢?

首先,來解釋一下幾個常見的名詞:Wi-Fi、WLAN、802.11。

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你或許都聽過這些詞,特別是 Wi-Fi,但它們之間有什麼差別呢?

LAN 是 Local Area Network,區域網路的意思。通常指的是像一間網咖這樣的範圍。而 WLAN 就是 Wireless LAN,無線區域網路,這是現在的主流用法。而 802.11,則是專門針對區域網路中無線部分的技術標準。而 Wi-Fi 呢,則可以看作是 802.11 這個技術標準的口語化說法。而 Wi-Fi 的 logo 一黑一白,與太極圖非常相似並非巧合,其 logo 衍生自太極圖,就是想取其相容於任何設備、平台,不管在哪裡都能順利連上網的意象。

有人說 Wi-Fi 在現代已經像空氣、陽光、水和電一樣,成為不可或缺的基本需求。

除了 Wi-Fi 我們還介紹 MIMO 這個關鍵技術,如果對更多技術細節感興趣,或是想聽聽像 Bluetooth 是以國王名字命名的科技小故事,都歡迎在留言告訴我們,期待與你們繼續分享更多有趣的科技知識!

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數感實驗室的宗旨是讓社會大眾「看見數學」。 數感實驗室於 2016 年 4 月成立 Facebook 粉絲頁,迄今超過 44,000 位粉絲追蹤。每天發布一則數學文章,內容包括介紹數學新知、生活中的數學應用、或是數學和文學、藝術等跨領域結合的議題。 詳見網站:http://numeracy.club/ 粉絲專頁:https://www.facebook.com/pg/numeracylab/

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電磁波全揭秘:了解頻帶、頻寬、頻率和通信技術的基礎知識
數感實驗室_96
・2024/06/13 ・672字 ・閱讀時間約 1 分鐘

本文由 國立臺灣師範大學 委託,泛科學企劃執行。 

先前我們介紹了多位為通信科技發展做出貢獻的科學家。現在,我們要深入探討無線通信的技術層面。

無線通信,顧名思義不像傳統的電話或電報那樣需要一條實體的線路來傳遞信號。但這些信號並非憑空傳遞,它們依賴的正是電磁波。

電磁波在現代社會無處不在,從微波爐、手機到基地台,這些設備都會發射電磁波。但其實即使沒有這些科技裝置,電磁波依然存在於我們周圍。什麼意思呢?答案就是:當我們白天走到戶外,看到的光,它其實也是電磁波的一種。

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希望大家掌握了這些電磁波、頻帶、頻寬等基礎知識後,未來在閱讀相關的電信新聞時更加了解他們提到的術語,以及各種縮寫。以後無論是科技發展的動態還是市場新技術,都能更有概念地理解。

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