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《唐僧為何不搭觔斗雲取經?》——2018數感盃 / 國中組專題報導類第二名

數感實驗室_96
・2018/04/22 ・2234字 ・閱讀時間約 4 分鐘 ・SR值 466 ・五年級

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「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 / 國中組專題報導類第二名 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。

  • 作者:李艾登、莊景喻、黃秉宥/嘉義縣立永慶高中國中部
圖/imdb

話說,悟空從五指山中逃脫,就對唐三藏表示:「我小學老師靈台方寸山,斜月三星洞的神仙,須菩提祖師教我日遊四海的騰雲駕霧之法——觔斗雲,只要一個觔斗便能飛行十萬八千里。你不是要去西天取經嗎?上來吧,我背你翻騰幾下就能直接到西天取經。」

「不行,觔斗雲太快了,師父受不了,更何況這是修行,我必須用走的,你得跟我一起去,所以你也得用走的。」唐三藏搖一搖頭。

悟空一副大惑不解的樣子看著唐三藏。

唐三藏拿出紙、筆、圓規、尺、計算機、筆電,在山中步道旁,隨便找個有桌椅的涼亭坐下,語重心長說:「悟空你是從女媧補天遺留下的石頭中蹦出來的,是石身;師傅是肉做的,是肉身。肉身應該是不能搭觔斗雲的。」悟空仍一副丈二金剛摸不著頭緒樣。

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唐三藏要悟空坐下,開始滔滔不絕說:「來,我用數學算給你看——秦漢時期一里是 415.8 公尺,師父跑到未來發現清朝一里是576 公尺,現在是明朝*,國土廣大,單位混亂,我們大約以一里以 500 公尺計算好了。你搭觔斗雲翻一圈的距離約 108000×0.5=54000 公里,但是地球的周長約 40030.14 公里,所以你要是隨著地表飛,往東翻一個筋斗,剛好繞地球一又三分之一圈,恰好落在南極陪皇帝企鵝孵蛋; 往西翻一個筋斗也是繞地球一又三分之一圈,結果降落在加勒比海上的黑鬍子海盜船上。這兩個地方離天竺很遠,且又是化外之地,這個想法行不通啊!」

「如果你是先往上飛,然後繞地球一圈之後在天竺的上空降落,而這裡到天竺的距離大約是 4200 公里,因此你繞地球一圈還需要飛行 54000-4200=49800 公里。設往上飛的高度為x 公里,因此 2x +2π (x+6371) =49800,可得往上飛的高度(x)為 1179.482 公里,這高度已經超過 100 公里的卡門線、甚至超過 500~1000 公里的外逸層,早就已經到外太空了。」

「師父這種沒有任何保護的身體如果曝露在外太空很快就會死,而且死亡後體溫會很緩慢下降(因為沒有對流、傳導,只有熱輻射);如果此時體液或血液流出體外,不但不會立刻凍結,反而會因為低壓而沸騰。這個問題在 NASA 的網頁內有說明,只是目前還沒有做過生物實驗,正確結果誰都不敢確定。」

「師父,這件事簡單。」悟空站了起來,用手拍了拍胸膛說:「等一下天黑,師父讓我下課十分鐘,月亮離這裡也不過 30 萬公里,徒弟我搭觔斗雲翻個六、七圈就到了。我幫 NASA 去月宮找嫦娥姊姊問一下,她當初飛到月球時有沒有覺得很冷﹖還是呼吸困難﹖或是有噴鼻血?問完後再找月兔借個廁所,順便帶一盒月球名產『麻糬』回來孝敬師父您。」

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唐三藏聽到後,右臉開始不停的抽筋,三條線。心裡想:「佛祖介紹給我的這個徒弟, 怪怪的。」不由得盯著悟空仔細觀察,由頭到腳,上下來回掃了數次。

唐三藏接下來說:「我們得考慮速度問題。悟空啊!你翻個觔斗需要多久時間啊?」
悟空用跩到不行的動作,伸出他的右手,比出中指(啊!更正,我看錯了,是食指。)說:「師父,只要一秒!」
「一秒!」唐三藏拿出計算機開始飛快的按著鍵盤,嘴裡還嘟嚷著……
「假設你是等速飛在地球表面,在不考慮其他阻力與限制下,你的速度是 5400 公里除以1 秒,就是 5400 公里每秒」
唐三藏恍然大悟說:「悟空,你知道嗎? 眾所周知的哈雷彗星平均速度大概 10 公里每秒,就已經燒得人屁股紅透半邊天了,你的觔斗雲速度是哈雷彗星的 540 倍,師父即使身上有這件皇上御賜的百分百純蠶絲袈裟,鐵定是擋不住的!一下子就灰飛煙滅,就算我躲在建造於美國科羅拉多州, 為防止核武攻擊而深埋於地表下 400 多公尺的『夏延山空軍基地』末日碉堡中,再讓你載過去,也是會被摩擦力造成的高溫燒的屍骨無存。」

「觔斗雲快的不合理,悟空呀!師父再問一次觔斗雲的實際操作性能。」孫悟空搔一搔頭髮,非常熟練地抓起身上跳蚤,順手放進嘴巴嚼了起來。

「師父,吳承恩在《西遊記》寫得很清楚,觔斗雲翻一個筋斗,可以前進十萬八千里。千真萬確,吳承恩白紙黑字寫的。」悟空意猶未盡低頭在翻找肚臍旁的跳蚤,一邊回答。

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「這樣啊!若沿著地球表面等速度飛行,先不考慮其他阻力與限制的話,以剛剛的飛行軌道來看,離地球表面最遠時的向心加速度為 5400×5400÷(1179.482+6371)≒3862.005km/s2=3862005m/s2。」唐三藏邊用計算機邊說。
「換算成地心引力倍數就是:3862005÷9.8≒394082.143 G」

「天啊!」唐三藏搖搖頭說。「人體最大承受限度是 9G,搭乘觔斗雲需承受 394082.143 G, 人類無法啊!」

「悟空,經過師父這麼詳細的解說,你可以理解我們應該只能走路去吧。」

悟空想了想,說:「師父,與其想要如何將您打包帶走,這可是連 NASA 的科學家都會想到抓狂的問題,沒研究個三、五十年是沒有結果的,不如我們一起散步去天竺,還比較快呢!」

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唐三藏點頭笑了笑,肚子卻不爭氣的咕嚕咕嚕叫。「悟空,師父肚子餓了,我們去找吃的好不好?」

「師父,我知道前面有一間店,他賣的麻糬比月兔做的好吃多了。」悟空興奮的拉起唐三藏的手開始飛奔。

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。

  •  編按:本文內的唐三藏為虛構人物,內文所提之朝代雖與史實不符,但不影響文章之閱讀因此予以保留。
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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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鳥苷三磷酸 (PanSci Promo)_96
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