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科學寶可夢 #009 水箭龜:打穿鋼板的洪荒之力

Rock Sun
・2016/08/24 ・2826字 ・閱讀時間約 5 分鐘 ・SR值 514 ・六年級

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。

blastoise
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)!

The-Real-Blastoise
圖/reptiles.guru

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)

giphy
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
文章難易度
Rock Sun
64 篇文章 ・ 762 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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如果子彈飛到最高點時,伸手抓住會怎樣?——《如果這樣,會怎樣?2》
天下文化_96
・2023/05/10 ・1577字 ・閱讀時間約 3 分鐘

有什麼方法可以開槍讓子彈在空中飛,然後安全的用手接住?比方說,開槍射擊的人在平地,而接住子彈的人在山上,位於射程的最遠處。
——艾德蒙.許(Edmond Hui),倫敦

接住!

「接住子彈」是舞台上的特技,表演者看似接住射擊出來飛到一半的子彈——通常是用牙齒接住的。當然啦,這是錯覺,像那樣接住子彈是不可能的。

但在適當的條件下,你可能接得住子彈,只是要有很多的耐心和運氣。

直直向上射擊的子彈最終會達到最大高度。子彈可能不會完全停止;比較可能的是,它會以每秒若干公尺的速率往旁邊偏移。

如果有人舉槍向上射擊子彈……。

……而你乘著熱氣球在射程範圍的正上方閒晃……

……當子彈飛到最高點時,你伸手出去抓住子彈,這是有可能的。

你不應該做的事情

(清單已更新)

#156,812 吃洗衣膠囊球

#156,813 在雷雨中踩高蹺

#156,814 在加油站放煙火

#156,815 餵你的貓吃「與人類手部形狀質地」一模一樣的零食

#156,816 在間歇泉噴口上方彎腰低頭想要一窺究竟

#156,817(新增!)搭乘熱氣球飛越射程範圍

如果你在子彈弧線的最高點成功抓住子彈,或許你會注意到奇怪的事情:子彈除了很燙之外,還會自旋。

它會失去向上的動量,但不會失去自旋角動量;子彈仍然具有槍管造成的自旋。

當子彈射擊在冰面時,可以很明顯的看到這種效應。正如數十部 YouTube 影片所證實的那樣,我們常發現射進冰中的子彈仍在快速自旋。你必須緊緊抓住子彈,不然它可能會跳出你的手掌心。

如果你沒有熱氣球,在山頂很有機會行得通。加拿大索爾山(Mount ­Thor)的垂直落差有 1,250 公尺。根據「近距離對焦研究」(Close Focus Research)彈道學實驗室的數據,這幾乎剛好是 0.22 長步槍子彈直直向上射擊會飛的高度。

如果你想要用更大的子彈,就需要更大的落差;AK-47 子彈向上射擊可能超過 2 公里。地球上沒有那麼高的垂直懸崖,因此你需要以某個角度發射子彈,結果子彈在弧線頂點會具有顯著的橫向速度。不過,夠硬的棒球手套也許有辦法接住子彈。

其中任何一種情境下,你都必須非常走運。由於子彈的弧線有不確定性,你恐怕必須射擊數千發子彈才能碰巧接個正著。

等到那個時候,你可能會發現自己招來了某些人的關注。

——本文摘自《如果這樣,會怎樣?2:千奇百怪的問題 嚴肅精確的回答》,2023 年 3 月,天下文化出版,未經同意請勿轉載。

天下文化_96
129 篇文章 ・ 613 位粉絲
天下文化成立於1982年。一直堅持「傳播進步觀念,豐富閱讀世界」,已出版超過2,500種書籍,涵括財經企管、心理勵志、社會人文、科學文化、文學人生、健康生活、親子教養等領域。每一本書都帶給讀者知識、啟發、創意、以及實用的多重收穫,也持續引領台灣社會與國際重要管理潮流同步接軌。

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我們的遺傳差異有多大?基因竟會影響我們的教育程度!——《我們源自何方?》
馬可孛羅_96
・2023/03/19 ・2958字 ・閱讀時間約 6 分鐘

族群間差很大?

要了解遺傳學家為何不再和人類學家手牽手,不再認為人類族群之間的差異小到微不足道,只要看看「基因組部落格主」(genome blogger)就可以知道。

在基因組革命開始之後,人們便在網際網路上熱烈討論關於人類變異的論文,有些基因組部落格主後來精通於分析網路上公開的基因組資料。

相較於絕大多數的學術界人員,基因組部落格主的政治態度往往偏向右派,拉茲布.可汗(Razib Khan)與迪奈可斯.彭迪可斯(Dienekes Pontikos)發表了各族群特徵的平均差異,其中包括了身體外貌和運動能力。

許多基因部落格組認為學術界人士刻意忽視了族群間的差異。圖/envatoelements

部落格「歐洲基因」(The Eurogenes)中,「哪個古代民族散播了印歐語系語言」這樣激起反應的標題,往往會有上千個留言灌爆。這個非常敏感的議題在第二部分中討論了,那些印歐語系者的擴張過程,被當成建立國家神話的基礎,有的時候受到濫用,如同納粹德國時期的狀況。

基因組部落格主的信念,有部分來自於在討論各族群之間生物性差異時,學術界人士並沒有保持科學家追求真實的精神。基因組部落格主很樂於指出一項矛盾:學術人士基於政治正確所傳遞的訊息,說族群之間的特徵無法區別,但是在他們發表的論文中得出的科學結果卻不是這樣的。

族群內的差異比族群間大

我們知道的實際差異有哪些?我們無法否認,各族群之間有顯著的平均遺傳差異,不只有膚色,還包括了體型、消化澱粉與乳糖的效率、在高海拔地區呼吸的難易程度,以及某些疾病的罹患率。這些還只是我們剛發現的差異而已。

我預料,不知道更多的人類族群之間的差異,是因為能夠找出這些差異的適當統計資源還沒有投入。人類大部分的特徵,一如呂文廷所說,在族群內的差異要大過族群之外。

這代表在任何的族群中,如身高等絕大部分的特徵,都有位於高低兩個極端的個體存在,例如很高與很矮的人。但是這並沒有排除各族群之間在特徵上有細微的平均差異存在。

高矮差異不分族群。圖/envatoelements

幾乎每次回爭論,傳統教條都沒能站穩腳跟。二○一六年,我參加了一場約瑟夫.葛拉夫(Joseph L. Graves)在哈佛大學皮博迪考古與民族學博物館(Peabody Museum of Archaeology and Ethnography)的演講,主題是種族與遺傳學。在演講中,葛拉夫舉出五個能夠大幅影響皮膚色素沉積作用的突變,在不同族群中這五個突變出現的頻率差異很大。

他把這個五個突變和腦中上萬個會在腦中活動的基因比較。他指出,會在腦中活躍的基因和那五個和色素沉積的基因不同,會在許多部位活動。有些突變會推動認知和行為出現某個面向的特徵,但是另一些突變會推動的是別的面向,各種作用相加就平均掉了。

但他的論點其實並不可行,因為在實際的狀況下,如果天擇對兩個分開的族群施以不同的壓力,有許多突變所影響的特徵,會如同那些受到少數突變影響的特徵,讓兩個族群之間產生平均差異。事實上,已知有由許多突變所影響的特徵(可能如同行為和認知),如同膚色這種由幾個突變所影響的特徵,也受到天擇篩選。目前最佳的例子是身高。

身高是由基因組中數千個有變異的位置所決定的,二○一二年,喬爾.赫斯霍恩(Joel Hirschhorn)領導的分析研究指出,天擇對於那些位置的篩選結果,使得歐洲南部人的身高平均來說比歐洲北部人矮。

身高並不是唯一的例子,強納森.普瑞查德(Jonathan Pritchard)所帶領的研究指出,至少從兩千年前,天擇就作用在英國人許多特徵的遺傳變異之上,結果包括嬰兒頭部平均來說比較大,女性臀部也是(可能是為了要在生產時配合嬰兒頭部的增大)。

遺傳變異間接影響教育程度

遺傳差異間接影響到教育程度與認知行為。圖/envatoelements

人們很容易會想,遺傳影響體型是一回事,但是影響認知和行為特徵又是另一回事。不過這種界線已經打破了。如果你加入了某個疾病的遺傳研究,得填寫表格,註明自己的身高、體重和受教育時間長度。

丹尼爾.班傑明(Daniel Benjamin)和同事彙整了四十萬名有歐洲血統者的受教育資料,那些人提供自己的基因組資料,以供研究各種遺傳疾病。

班傑明等人找到了七十四個在受教育時間長的人中更為常見的遺傳變異,那些變異在受教育時間短的人中比較少見。這樣研究已經去除了受到研究族群中各種會造成影響的差異,結果很紮實。這些科學家還指出,雖然平均來說,社會影響力在這方面要大過遺傳,但是從遺傳去推測受教育時間長短的準確度不容忽視。

他們指出針對受到研究的歐洲血統族群,設計一個遺傳預測方式,計算出其中完成十二年教育的概率為百分之九十六,而最低的則為百分之三十七。

那些遺傳變異怎麼影響到教育程度?馬上浮現的猜想是它們會直接影響學業能力,但這可能是錯的。

一項包含了十萬多名冰島人的研究指出,那些遺傳變異也會讓女性生第一個小孩的年紀增加,而且造成影響的程度要遠大於對於受教育時間的影響。那些變異可能是以間接的方式發揮作用,讓人們比較晚有小孩,使得小孩必較容易接受完整的教育。

這個結果指出了,在我們發現控制行為的生物性差異時,這些差異發揮功用的方式往往和我們無知的猜想不同。

各族群間影響教育程度的突變在出現頻率上的平均差異,還沒有找出來。但是在冰島,從遺傳上預期年長者整體上受教育的時間要長過年輕人,這點讓我們警覺。

領導這項冰島研究的奧古斯丁.江(Augustine Kong)指出,這項結果代表了在上個世紀,天擇作用不利於預期受到有更多教育的人身上,就像是篩選出比較年輕就有孩子的狀況。

遺傳變異透過生孩子的時間間接影響孩子的教育程度。圖/envatoelements

由於在單一族群中,影響受教育時間的遺傳成因顯然於一個世紀內因為受到了天擇壓力而產生明顯的改變,那麼這個特徵在各族群之間出現差異也是極有可能之事。

影響歐洲血統教育程度的遺傳變異,是否會對於非歐洲血統者的行為發生影響,或是對結構不同的社會系統發生影響?這些沒有人知道。不過,如果那些突變對於某一個族群的行為會發生影響,很可能對於其他族群也發生影響,縱使這些族群的社會狀況有所差異。

在遺傳所影響的行為特徵中,教育程度可能只是冰山一角。其他人也和班傑明一樣,發現了能夠預測行為特徵的遺傳因素,其中一項研究調查了七萬多人,發現到在二十多個基因中的突變適合用來預測在智力測驗中的表現。

——本文摘自《我們源自何方?:古代DNA革命解構人類的起源與未來》,2023 年 3 月,馬可孛羅出版,未經同意請勿轉載。

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馬可孛羅_96
25 篇文章 ・ 19 位粉絲
馬可孛羅文化為台灣「城邦文化出版集團」的一個品牌,成立於1998年,經營的書系多元,包含旅行文學、探險經典、文史、社科、文學小說,以及本土華文作品,期望為全球中文讀者提供一個更開闊、可以縱橫古今、和全世界對話的新閱讀空間。

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過重、過輕都會影響身體——健康減重、增肌減脂好處多!
careonline_96
・2023/02/21 ・1809字 ・閱讀時間約 3 分鐘

體重過輕可能造成哪些問題

以目前的標準,會建議 BMI 控制在 18.5 至 24。當體重過輕的時候,基本上身體裡面的一些營養素,就會開始吸收不夠。吃得不夠,就很容易造成一些貧血的問題;刻意不吃的時候,吸收也會變差,間接引起營養不良的問題,很常會開始這裡不舒服、那裡不舒服,甚至像是突然間暈厥,就是極度的營養不良;再來是我們在給予自己這麼大壓力的時候,刻意去減重的情況下,會引起一些生理跟心理的問題。

當過輕時,很常會肌肉不足,之後骨質流失開始加快;很常聽到 20 幾歲的人跌倒之後就骨折,其實就是骨質疏鬆,可是並不知道,因為我們還很年輕。

如何健康減重

目標要設實際一點,而且是可以達到的一些目標。比如可以設定一個禮拜內,要讓體重下降的正常合理範圍是 0.5 公斤,也就是一個月減重不應該超過 2 公斤;以這個為目標去設定一天可以攝取的熱量,很多人都會建議女生吃 1200 大卡至 1500 大卡,男生吃 1500 大卡至 1800 大卡,如果有在運動可以設更高一點。

很簡單地去想要吃得健康一點,巨量的營養包含醣質、蛋白質,還有脂質,就盡量吃原型的食物,去攝取足夠的蛋白質,在過程當中吃足夠的纖維質,比如像蔬菜,最後再去吃澱粉。

增肌減脂有哪些好處

如果有在進行減脂的過程去抽血,就會發現其實我們的 LDL 會下降、HDL 會上升,三酸甘油脂也會下降,其實這就是反應了一個很健康的生活型態。

增肌有非常多的好處,而且是很生活化的好處。比如像老人家要去上廁所,很多時候意外都是發生在廁所;因為蹲下去、坐在馬桶上面之後,要起來時沒有力氣、平衡感又不好的情況下,就會很容易跌倒,發生很多不幸的一些意外。

我們的肌肉量會影響到肌力和肌耐力,就會間接影響到有沒有辦法去執行日常生活中需要做的事情。

減重過程中的飲食要如何安排

一個大原則是每一餐吃拳頭大的澱粉,不管是白飯、糙米飯,還是地瓜,吃一份的澱粉,就要吃兩份的蔬菜,盡量吃到兩份的蛋白質;以這種攝取方法,其實都可以吃得非常飽,而且非常滿足,身體就會得到它所需要的巨量及微量營養素。

我自己很推崇的地中海型飲食,它不單單是一個飲食法,它是一個生活的模式。建議你吃很健康的食物,多吃海鮮、少吃一些飽合脂肪酸的東西,像紅肉;盡量吃乾淨,調味的部分就是避開重油、重鹽。

鼓勵多去跟人互動、多去戶外活動,基本上我們要先回到原點,肥胖本身是一個慢性生活型態的結果,所以要正視問題,先認識自己的身體,是在哪一個環節慢慢出錯,然後去做修正;什麼飲食法適合自己?這需要一段時間去探索、去調適,我相信沒有一個絕對對的飲食法,也沒有一個飲食法是適合全部人。

除了體重之外,還需要注意哪些指標

除了體重、BMI 以外,我們會去量腰圍,男性腰圍盡量要小於 90 公分,女性腰圍小於 80 公分。腰圍反應著你的中段有沒有囤積很大量的脂肪;當身體的中段在囤積脂肪的時候,就代表比較容易會產生一些代謝症候群。

其實最好的量測方法是一面鏡子,當在認真地減重或者增肌時,身體一定會反映出來;身體是非常誠實,體態在改變、線條在改變一定看的出來。不要被數字綁架,其實我們在運動也好、減重也好,我們就是希望可以活得健康,可以不要年紀大的時候臥床。

最大的目標就是要活得好,不要在為了活得好的過程當中,去做傷害自己身體的事情,這也是最重要的部分。