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只要投出消失的魔球, 星飛雄馬就會被五雷轟頂!—《空想科學讀本 2》

遠流出版_96
・2016/11/12 ・5819字 ・閱讀時間約 12 分鐘 ・SR值 508 ・六年級

空想科學137-152.indd以前的棒球漫畫裡就有所謂的「魔球」。有的一球變三個,有的會發光,還有會避開球棒的,甚至有球皮翻開像蝴蝶般鼓翅飛行的嚇死人的玩意兒。各式各樣的魔球百花齊放,爭奇鬥豔。

其中的最高傑作當屬《巨人之星》的「大聯盟魔球 2 號」吧。別名「消失的魔球」,投手主角星飛雄馬球質太輕,這變成他的致命弱點,在背水一戰的絕境下,想出了這招變化球。

消失魔球最值一提的就是,雖然乍看之下荒誕無稽,故事中還明確解說了這種變化球的原理,詳細到甚至像是「魔球投法說明書」。

可是,現實中從未聽過有哪個職棒投手精通「消失的魔球」的。為什麼呢?難道是西武隊的松坂或巨人隊的上原都太不上進了嗎?還是說,消失的魔球之所以無法實現,是出於某種致命弱點?

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如果答案是後者,那麼把人生都賭在魔球上的星飛雄馬也未免太可憐了。在本節中,首先要根據原作者梶原一騎的理論來解開消失的魔球之謎。就算做不到,也要用科學的方法來實踐看看!這全是為了拚命努力滿腔傻勁的飛雄馬!來吧,比賽開始!

消失的魔球是什麼?

星投手右腿高高抬起,以全身力氣投出的高速球突然在打者眼前消失了!打者驚愕不已,下個瞬間球又在本壘板上出現——好球!這就是關於「大聯盟魔球 2 號——消失的魔球」的描寫。

如果只是球不見,這種球路在比《巨人之星》早幾年的漫畫《魔球投手》就已經登場了。飛雄馬的魔球之所以新奇,在於即使打者不看球、光靠預測球路而揮棒,一樣打不到。也就是說,球在消失的時候還會改變路線。所以在這些嶄新設定上是下過一番功夫的【圖一】。

圖一:看不見的魔球,會在消失後大大改變球路。

飛雄馬命中註定的對手如花形和左門等人,挑戰這謎樣的革命性魔球,「為什麼會消失?」謎底逐步揭曉,情節緊張刺激。總合他們的研究結果,可以彙整出魔球消失的原理大致如下:

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① 球到打者面前會大幅下墜,然後在本壘板前再轉為上揚。

② 飛雄馬投球時會高高抬腿,順勢踢起投手板上的沙土,使之附著在球面的縫線。

③ 球在空中激烈旋轉時,附在上面的沙土會因為離心力而飛出去,然後球按照 ① 的路徑貼地低空飛過。

④ 這時地面塵土會被球體旋轉造成的旋風捲起。也就是說,原本附著球面的沙土形成煙幕,加上本壘板前被捲起的塵土,變成保護色,球就完全看不見了【圖二】。

看不見的魔球,就是因為這種原理而看不見的……大概吧?

嗯,好像還滿有道理的嘛……,這個讓許多棒球漫畫迷都不得不接受的梶原流科學理論,到底能不能讓球消失不見呢?

摧殘幼苗的川上總教練

首先來探討一下 ① 的可能性。

曲球或噴射球之類的普通變化球是靠球的旋轉來改變行進軌道。從上方看右投手的曲球軌道,球朝逆時針方向旋轉,周圍的空氣也會被捲入而同向旋轉。如果以球的視點來看,則是前面的空氣撲過來,速度是它自身的行進速度。

這時,在球的右邊,被球帶著旋轉的空氣與前面撲來的空氣相撞,壓力升高。球左邊則是因為被球捲進的空氣與前方撲來的空氣同向,形成平順氣流,壓力較低。這股壓力差就會對球施力,使球彎向左邊【圖三】。

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曲球的原理。利用左右空氣氣壓差,使球路彎曲。

消失的魔球則是在打者面前先降到貼地,然後在本壘板前上揚。這等於是 2 次逆向變化。意思是,球在行進途中必須逆轉旋轉方向。這種事情辦得到嗎?

與直線前進的物體相同,旋轉的物體也具有慣性。一旦開始轉,只要沒外力介入,旋轉軸心會保持一定方向,並繼續同速旋轉。不論要改變旋轉方向或軸心方向,都得從外部施力。也就是說,想對離手的球施力,除非在球上加裝發條或火箭引擎,別無他法。

飛雄馬第一次在川上總教練前演示消失的魔球,這個超級謹慎的人當場就說「手上的球給我」,以確認沒有動手腳。唔,真是老江湖!有這種頂頭上司,豈不是無法實現科學正確的消失魔球!

一練就得退出球壇

要改變旋轉方向已經很難了,還有一個更大難關等待克服:行進軌道變化要像漫畫裡演的那麼劇烈,得要有很強的力量。球裝有特殊機關另當別論;若要遵守棒球規則的話,只能依靠球本身的旋轉了。

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根據《投球的科學》(大修館書店),實際測定時速 110 公里的曲球,會朝左偏移 40 公分。肉眼看起來球好像是到打者手邊才突然轉彎,但只要是靠旋轉來改變的話,一定是球離手的時候就開始轉向了。球到打者面前時速度變慢,所以才會看起來突然轉彎了。這用慢動作播放就很清楚。投捕距離 18.44 公尺,時速 110 公里的球需花費 0.6 秒。在這之間要偏移 40 公分,所需力量是球本身重量的 22%,也就是 31 克即可。

相對於此,消失的魔球要在水平前進的 1 公尺內先下降、再上升,上下範圍則是 50 公分。這需要的力量可不得了啦。特別是後段上升時角度會大於 45 度哩。如果和前述曲球一樣是時速 110 公里,這段上揚區的時間只有 0.017 秒。這一來,要有 53 公斤的力,也就是球重的 370 倍。到底要旋轉多劇烈才能得到這麼強的力量啊?

前述的曲球是每秒旋轉 40 次。在相同的球速下,旋轉數與產生的力道成正比。因此所需的力是原來的 1700 倍。要產生這麼大的力量,球必須每秒旋轉 6 萬 8 千次!

要轉成這樣得有 6 千噸的力。這等於要求投手「光靠手腕就舉起 120 輛戰車」。嗯,難怪松坂和上原選手都不投消失的魔球。光是練習,沒兩下就會把手廢了退出球壇啦。

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純白的球

雖然還沒解決「讓球路變化」的問題,在此就當做已經實現了,直接進入下一題吧。

就算球路的行進如同故事所說,那麼 ② 到 ④ 的保護色理論真做得到嗎?

就常識來想,不論是舉高的腿掉落的沙土,或是本壘板前被捲起來的塵埃,份量都很少。想要形成屏障讓球看不見,塵土必須多到連球上的縫線都看不見。光靠腳上掉下來的那一點沙子絕對不夠,非把球場的土硬沾到球上、塗成泥丸子才行。況且飛揚的塵土一定要多到能遮住打者下半身。可是,真有這種狀況發生,對方一定會當場喊暫停,然後在本壘板一帶灑上消失魔球的頭號敵人——水!最後只剩下手裡握著泥巴丸子呆站投手板上的飛雄馬,被裁判群圍著審問【圖四】。

連球都看不見的煙霧,的確會妨礙比賽進行。

最重要的是,即使場上有打者要衝回本壘,也沒見過「等到滿天塵埃落定,才模糊看見打者與捕手跌成一堆的身影」。棒球場的土可不是龍角散啊。

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這種小事就算了啦。這裡真要追究的是 ③ ,「附在縫線上的沙土因離心力作用擴散,球本身製造出煙幕」。既然要配合地面捲起的塵土讓球消失,那麼離心力製造的煙幕也要到了本壘板前才施展,效果才會大。

可是球並非到打者面前才開始轉。倒不如說,球一離手,旋轉數就開始減少。既然如此,應該在球剛投出去的時候最是塵土飛揚吧。

根據《粉塵的科學》(講談社),沙土之類的微粒是顆粒越小,吸附力越強。以直徑 1 微米的黏土來說,吸附力可達本身重量的 10 倍。每秒轉 20 次的曲球,表面沙土所受的離心力是 230 倍;消失的魔球則是 6 億 5 千萬倍。受到這麼大的離心力還能吸附得住,只有直徑 1 萬分之 1 微米、和原子一樣大的微粒才有辦法啦。那只有原子囉。

到頭來,真要照梶原理論實行的話,不但球路只能變一次,訓練階段還會弄傷手,飛雄馬一投球便灰頭土臉,飛到打者面前的不過就一顆白球……;用受傷的左腕投出一顆白球,加上飛雄馬球質原本就輕,要擊出場外全壘打是輕而易舉的事情吧。

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啊,飛雄馬的夢想——消失的魔球,終究還是無法實現?把人生全賭在棒球上的不屈男子漢,就這樣背負著十字架消失?

用科學來實現魔球

要是就此放棄,飛雄馬太可憐了。消失的魔球也是我們的夢幻魔球。在此就用上人類全部的科學力,無論如何也要讓飛雄馬投出消失的魔球!

首先來解決球路的變化吧。

要改變物體的運動方向,一定要從外部施力。手不接觸就要施力,最適合的就是電磁力了。當一個帶正電荷的物體進入右邊 N 極、左邊 S 極的磁場中,就會受到一股向上的力。就用這個吧。

具體做法如下。首先,在一壘與三壘後方牆上裝置磁鐵,讓本壘板附近產生從三壘朝一壘方向的磁場。然後在投手丘架設 Van de Graaff 靜電產生器。它是利用皮帶旋轉一點一點收集靜電,可讓物體蓄積大量電荷。

終於要投球了。擺出投球姿勢前,飛雄馬要先戴上絕緣手套,握好球,打開靜電產生器,讓球慢慢蓄電【圖五】。

投球前啟動靜電產生器的傻勁兒投手。「爸,我要投了!」

什麼?犯規?!的確,投手必須空手投球,卻戴著厚厚的絕緣手套。投手丘除了松脂粉袋以外應該什麼都沒有,卻有一台發出嗡嗡聲的怪機械……,算啦,雖然有點古怪,不過飛雄馬的青春全繫於此了,這種程度的犯規就睜隻眼閉隻眼吧。

接著,握住充份蓄電的球,飛雄馬振臂投出一記指叉球!球先在本壘前大幅下墜,進入磁場後受到向上的電磁力【圖六】,漂亮畫出消失的魔球軌跡。

持續受到與行進方向垂直的電磁力,就會形成圓形軌跡。

而且這個方法不必旋轉,就不必擔心有勇無謀的練習會廢了手腕。更重要的是,球上蓄積大量靜電荷,能夠吸附大量沙土。完美的消失的魔球終於靠科學力量實現了。

啊!我現在感動得要命!

飛雄馬被五雷轟頂!

可是福禍相倚,飛雄馬雖然實現了夢想的魔球,同時有件恐怖的不幸等著他。球上蓄積的大量靜電荷將造成嚴重問題。在空氣中,1 公尺內產生 1 百萬伏特以上的電場時,就會開始放電。雲層與地面間電壓超量之後的放電現象,就是打雷。

為了讓球路劇烈變化、吸附大量塵土,球必須盡可能積電。可是萬一得意忘形,蓄電蓄到冒火花,那可危險啦。因為冒火花就表示開始放電了。空中放電是距離越近越容易發生,所以這雷不會轟地上,而是會先劈到飛雄馬臉上!

就算把球上的電量控制在某個程度,當投手把球握在胸前,或是舉臂到頭後,也一樣危險。因為雷會直接劈中心臟或腦幹【圖七】。

傻勁兒終於要投出夢寐以求的消失的魔球,結果悲劇卻降臨到他頭上。

而且電流容易流往水份多的地方。所以淚流得像瀑布一樣啦、全身汗水淋漓等等,通通都要嚴格禁止。最好在投手丘準備好乾浴巾乾衣服,而且盡量平心靜氣,不可激動。

身體乾燥了,終於可以投球了。這時要盡量伸直手肘,別過臉,像撫摸傷口似地輕柔投球。對老練的打者來說,光憑投球姿勢就可以判斷球路;擺出這種歪七扭八的姿勢,就算外行人也知道要投啥球啦【圖八】。

這就是「消失的魔球」的投球姿勢……,嗚嗚……。

如果不想這樣,也可以一開始就拿掉絕緣手套。電流一次通過很危險,但如果是慢慢蓄積就沒問題,連麻都不覺得麻。如此一來人也會帶電,與球之間的電位差為零,就不會有五雷轟頂的危險。

但是,人帶電,這下子就會與地面產生電位差,兩腿之間容易遭雷劈。這點是男人絕對要避免的事。預防方法是穿上高蹻似的絕緣橡膠屐。可是穿這玩意兒很難投球,而且萬一摔倒,地面與身體之間會放電爆出火花,整個人燒成焦炭。

此外,比賽後嚴禁和伴宙太抱在一起。就算他大罵「阿星啊!你為何不跑過來!為何不與我伴宙太一起分享這份喜悅啊!嗚喔喔喔!」如果真當他是好友,就算穿著橡膠屐跑步有絆倒的危險,也一定要戰勝恐懼拚命跑開,免得他也變成焦炭。

跨過觀眾的屍體前進吧!

在得到伴宙太的諒解後,憑著傻勁躲過落雷,飛雄馬終於投出消失的魔球。這下子輪到四周的人危險了。首先是打者。如果沒戴上絕緣手套和穿好絕緣衣,並且保持全身乾燥,一樣可能被雷劈。《巨人之星》中還有個選手為了不讓消失的魔球捲起塵土,在打擊區四周灑水,那根本是自殺行為。

話說,「球是圓的」,所以消失的魔球會不會被擊中、帶著大量電荷的球會不會飛進觀眾席,這種可能性誰也不敢說沒有。巨人隊球團在飛雄馬主投當天不准販賣啤酒與可樂,並且前一晚必須透過體育新聞告知觀眾「明天到東京巨蛋球場觀賽請記得戴絕緣手套」,萬一忽略這兩點,現在有消費者保護法,就等著被告吧。就算被其他隊總教練看穿「哼,明天派阿星主投呀」,還是得公告,畢竟觀眾安全第一啊。

而且,消失魔球的恐怖之處不只靜電。要用這種方法彎曲球路,必須有超過數億高斯的磁場。這比人類目前能造出的磁場還強 1 千倍。真要實現,會生出以下種種麻煩。

磁鐵一定同時有兩極,沒有光是 N 極或 S 極的磁鐵。因此埋在圍牆裡的磁鐵也會在反方向生出強烈磁場。三壘 N 極出來的磁力線會被一壘的 S 極吸收,但是磁鐵內側的磁力線會各自向周圍擴散。電子儀器在強力磁場中無法正常運作。裝有心律調節器的人,別說是進球場,連東京巨蛋的所在地文京區都禁止進入。轉播機器無法使用,所以就算是古早拍攝的演藝人員運動會或珍貴畫面集錦中也看不到飛雄馬上場主投的畫面。

此外,還得注意對人體的影響。神經傳導的電流會不順暢,腦袋變得鈍鈍的,動作也會緩慢,還可能昏倒。更何況心跳是靠微妙的電流變化調節,這個也危險。而且,帶電物體在磁場中移動時會產生電磁波。飛雄馬一投球就產生電磁波,會對身體細胞造成傷害。尤其是細胞分裂最旺盛的骨髓及生殖器官,還有胎兒,更危險。這時候還看什麼棒球!——徹底犯規,還要擔心雷劈,甚至會危及觀眾性命的大聯盟魔球 2 號。搞到這種地步,飛雄馬還想投消失的魔球?

但是對他來說,棒球已不只是運動。棒球是鋪在男子漢面前的人生之道。飛雄馬曾這麼說,「為了投出消失的魔球,我什麼都願意做!」人類若是沒有熱情幹勁,科學就不會進步。以科學力量來實現消失的魔球,正是科學對人類熱情的回報。

加油吧,飛雄馬!管它什麼天打雷劈!投出消失的魔球吧!


《 空想科學讀本2 》書封

 

本文摘自《 空想科學讀本 2 》遠流出版

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從認證到實踐:以智慧綠建築三大標章邁向淨零
鳥苷三磷酸 (PanSci Promo)_96
・2024/11/15 ・4487字 ・閱讀時間約 9 分鐘

本文由 建研所 委託,泛科學企劃執行。 


當你走進一棟建築,是否能感受到它對環境的友善?或許不是每個人都意識到,但現今建築不只提供我們居住和工作的空間,更是肩負著重要的永續節能責任。

綠建築標準的誕生,正是為了應對全球氣候變遷與資源匱乏問題,確保建築設計能夠減少資源浪費、降低污染,同時提升我們的生活品質。然而,要成為綠建築並非易事,每一棟建築都需要通過層層關卡,才能獲得標章認證。

為推動環保永續的建築環境,政府自 1999 年起便陸續著手推動「綠建築標章」、「智慧建築標章」以及「綠建材標章」的相關政策。這些標章的設立,旨在透過標準化的建築評估系統,鼓勵建築設計融入生態友善、能源高效及健康安全的原則。並且政府在政策推動時,為鼓勵業界在規劃設計階段即導入綠建築手法,自 2003 年特別辦理優良綠建築作品評選活動。截至 2024 年為止,已有 130 件優良綠建築、31 件優良智慧建築得獎作品,涵蓋學校、醫療機構、公共住宅等各類型建築,不僅提升建築物的整體性能,也彰顯了政府對綠色、智慧建築的重視。

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說這麼多,你可能還不明白建築要變「綠」、變「聰明」的過程,要經歷哪些標準與挑戰?

綠建築標章智慧建築標章綠建材標章
來源:內政部建築研究所

第一招:依循 EEWH 標準,打造綠建築典範

環境友善和高效率運用資源,是綠建築(green building)的核心理念,但這樣的概念不僅限於外觀或用材這麼簡單,而是涵蓋建築物的整個生命週期,也就是包括規劃、設計、施工、營運和維護階段在內,都要貼合綠建築的價值。

關於綠建築的標準,讓我們先回到 1990 年,當時英國建築研究機構(BRE)首次發布有關「建築研究發展環境評估工具(Building Research Establishment Environmental Assessment Method,BREEAM®)」,是世界上第一個建築永續評估方法。美國則在綠建築委員會成立後,於 1998 年推出「能源與環境設計領導認證」(Leadership in Energy and Environmental Design, LEED)這套評估系統,加速推動了全球綠建築行動。

臺灣在綠建築的制訂上不落人後。由於臺灣地處亞熱帶,氣溫高,濕度也高,得要有一套我們自己的評分規則——臺灣綠建築評估系統「EEWH」應運而生,四個英文字母分別為 Ecology(生態)、Energy saving(節能)、Waste reduction(減廢)以及 Health(健康),分成「合格、銅、銀、黃金和鑽石」共五個等級,設有九大評估指標。

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我們就以「台江國家公園」為例,看它如何躍過一道道指標,成為「鑽石級」綠建築的國家公園!

位於臺南市四草大橋旁的「台江國家公園」是臺灣第8座國家公園,也是臺灣唯一的濕地型的國家公園。同時,還是南部行政機關第一座鑽石級的綠建築,其外觀採白色系列,從高空俯瞰,就像在一座小島上座落了許多白色建築群的聚落;從地面看則有臺南鹽山的意象。

因其地形與地理位置的特殊,生物多樣性的保護則成了台江國家公園的首要考量。園區利用既有的魚塭結構,設計自然護岸,保留基地既有的雜木林和灌木草原,並種植原生與誘鳥誘蟲等多樣性植物,採用複層雜生混種綠化。以石籠作為擋土護坡與卵石回填增加了多孔隙,不僅強化了環境的保護力,也提供多樣的生物棲息環境,使這裡成為動植物共生的美好棲地。

台江國家公園是南部行政機關第一座鑽石級的綠建築。圖/內政部建築研究所

第二招:想成綠建築,必用綠建材

要成為一幢優秀好棒棒的綠建築,使用在原料取得、產品製造、應用過程和使用後的再生利用循環中,對地球環境負荷最小、對人類身體健康無害的「綠建材」非常重要。

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這種建材最早是在 1988 年國際材料科學研究會上被提出,一路到今日,國際間對此一概念的共識主要包括再使用(reuse)、再循環(recycle)、廢棄物減量(reduce)和低污染(low emission materials)等特性,從而減少化學合成材料產生的生態負荷和能源消耗。同時,使用自然材料與低 VOC(Volatile Organic Compounds,揮發性有機化合物)建材,亦可避免對人體產生危害。

在綠建築標章後,內政部建築研究所也於 2004 年 7 月正式推行綠建材標章制度,以建材生命週期為主軸,提出「健康、生態、高性能、再生」四大方向。舉例來說,為確保室內環境品質,建材必須符合低逸散、低污染、低臭氣等條件;為了防溫室效應的影響,須使用本土材料以節省資源和能源;使用高性能與再生建材,不僅要經久耐用、具高度隔熱和防音等特性,也強調材料本身的再利用性。


在台江國家公園內,綠建材的應用是其獲得 EEWH 認證的重要部分。其不僅在設計結構上體現了生態理念,更在材料選擇上延續了對環境的關懷。園區步道以當地的蚵殼磚鋪設,並利用蚵殼作為建築格柵的填充材料,為鳥類和小生物營造棲息空間,讓「蚵殼磚」不再只是建材,而是與自然共生的橋樑。園區的內部裝修選用礦纖維天花板、矽酸鈣板、企口鋁板等符合綠建材標準的系統天花。牆面則粉刷乳膠漆,整體綠建材使用率為 52.8%。

被建築實體圍塑出的中庭廣場,牆面設計有蚵殼格柵。圖/內政部建築研究所

在日常節能方面,台江國家公園也做了相當細緻的設計。例如,引入樓板下的水面蒸散低溫外氣,屋頂下設置通風空氣層,高處設置排風窗讓熱空氣迅速排出,廊道還配備自動控制的微噴霧系統來降溫。屋頂採用蚵殼與漂流木創造生態棲地,創造空氣層及通風窗引入水面低溫外企,如此一來就能改善事內外氣溫及熱空氣的通風對流,不僅提升了隔熱效果,減少空調需求,讓建築如同「與海共舞」,在減廢與健康方面皆表現優異,展示出綠建築在地化的無限可能。

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島式建築群分割後所形成的巷道與水道。圖/內政部建築研究所

在綠建材的部分,另外補充獲選為 2023 年優良綠建築的臺南市立九份子國民中小學新建工程,其採用生產過程中二氧化碳排放量較低的建材,比方提高高爐水泥(具高強度、耐久、緻密等特性,重點是發熱量低)的量,並使用能提高混凝土晚期抗壓性、降低混凝土成本與建物碳足跡的「爐石粉」,還用再生透水磚做人行道鋪面。

2023 年優良綠建築的臺南市立九份子國民中小學。圖/內政部建築研究所
2023 年優良綠建築的臺南市立九份子國民中小學。圖/內政部建築研究所

同樣入選 2023 年綠建築的還有雲林豐泰文教基金會的綠園區,首先,他們捨棄金屬建材,讓高爐水泥使用率達 100%。別具心意的是,他們也將施工開挖的土方做回填,將有高地差的荒地恢復成平坦綠地,本來還有點「工業風」的房舍告別荒蕪,無痛轉綠。

雲林豐泰文教基金會的綠園區。圖/內政部建築研究所

等等,這樣看來建築夠不夠綠的命運,似乎在建材選擇跟設計環節就決定了,是這樣嗎?當然不是,建築是活的,需要持續管理–有智慧的管理。

第三招:智慧管理與科技應用

我們對生態的友善性與資源運用的效率,除了從建築設計與建材的使用等角度介入,也須適度融入「智慧建築」(intelligent buildings)的概念,即運用資通訊科技來提升建築物效能、舒適度與安全性,使空間更人性化。像是透過建築物佈建感測器,用於蒐集環境資料和使用行為,並作為空調、照明等設備、設施運轉操作之重要參考。

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為了推動建築與資通訊產業的整合,內政部建築研究所於 2004 年建立了「智慧建築標章」制度,為消費者提供判斷建築物是否善用資通訊感知技術的標準。評估指標經多次修訂,目前是以「基礎設施、維運管理、安全防災、節能管理、健康舒適、智慧創新」等六大項指標作為評估基準。
以節能管理指標為例,為了掌握建築物生命週期中的能耗,需透過系統設備和技術的主動控制來達成低耗與節能的目標,評估重點包含設備效率、節能技術和能源管理三大面向。在健康舒適方面,則在空間整體環境、光環境、溫熱環境、空氣品質、水資源等物理環境,以及健康管理系統和便利服務上進行評估。

樹林藝文綜合大樓在設計與施工過程中,充分展現智慧建築應用綜合佈線、資訊通信、系統整合、設施管理、安全防災、節能管理、健康舒適及智慧創新 8 大指標先進技術,來達成兼顧環保和永續發展的理念,也是利用建築資訊模型(BIM)技術打造的指標性建築,受到國際矚目。

樹林藝文綜合大樓。圖/內政部建築研究所「111年優良智慧建築專輯」(新北市政府提供)

在興建階段,為了保留基地內 4 棵原有老樹,團隊透過測量儀器對老樹外觀進行精細掃描,並將大小等比例匯入 BIM 模型中,讓建築師能清晰掌握樹木與建築物之間的距離,確保施工過程不影響樹木健康。此外,在大樓啟用後,BIM 技術被運用於「電子維護管理系統」,透過 3D 建築資訊模型,提供大樓內設備位置及履歷資料的即時讀取。系統可進行設備的監測和維護,包括保養計畫、異常修繕及耗材管理,讓整棟大樓的全生命週期狀況都能得到妥善管理。

智慧建築導入 BIM 技術的應用,從建造設計擴展至施工和日常管理,使建築生命周期的管理更加智慧化。以 FM 系統 ( Facility Management,簡稱 FM ) 為例,該系統可在雲端進行遠端控制,根據會議室的使用時段靈活調節空調風門,會議期間開啟通往會議室的風門以加強換氣,而非使用時段則可根據二氧化碳濃度調整外氣空調箱的運轉頻率,保持低頻運作,實現節能效果。透過智慧管理提升了節能效益、建築物的維護效率和公共安全管理。

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總結

綠建築、綠建材與智慧建築這三大標章共同構建了邁向淨零碳排、居住健康和環境永續的基礎。綠建築標章強調設計與施工的生態友善與節能表現,從源頭減少碳足跡;綠建材標章則確保建材從生產到廢棄的全生命週期中對環境影響最小,並保障居民的健康;智慧建築標章運用科技應用,實現能源的高效管理和室內環境的精準調控,增強了居住的舒適性與安全性。這些標章的綜合應用,讓建築不僅是滿足基本居住需求,更成為實現淨零、促進健康和支持永續的具體實踐。

建築物於魚塭之上,採高腳屋的構造形式,尊重自然地貌。圖/內政部建築研究所

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變身沙贊靠閃電夠力嗎?會是能源解方還是一場災難?《沙贊! 》中的神力閃電之謎
Rock Sun
・2023/05/30 ・4134字 ・閱讀時間約 8 分鐘

「沙贊!」然後一道閃電就會打下來,擊中一位青少年,瞬間變成一位穿著紅衣+披風、渾身肌肉的(中二)成年人,這就是 DC 宇宙中,超級英雄沙贊的變身過程。

很有趣的是,大家可以回想一下,最近這 10 幾年來席捲世界的漫威和 DC 英雄,絕大部分執行英雄行動前都是進行「著裝」,例如鋼鐵人、蝙蝠俠、美國隊長……等,但是沙贊不一樣,儘管不複雜,但他需要一套特別的手續來改變他自己的身體,已獲得他身為超級英雄的力量,這點跟日本的超人力霸王比較類似。

根據 DC 宇宙的設定,賦予沙贊力量、讓他變身的閃電都來自神界的奧林帕斯山,只要他大喊一聲,閃電就會隨傳隨到,而因為一切是神力的關係,理論上他接收力量的位置無關緊要,也非常的安全。

真不愧是奧林帕斯山啊!如果我們能夠在比利(電影中變身成沙贊的少年)的頭上裝一個收集閃電能量的器材,那費城一定變成全美國能源最豐沛的城市。

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我們說的是站中間那個穿紅色緊身衣的大男人。 圖/IMDb

但是要進行超級英雄活動,普通的閃電能量夠嗎?這道奧林帕斯山的閃電會不會是一道超越人類認知的超級閃電呢?

還有儘管沙贊不會受影響,但如果有人不小心在變身時不小心碰觸他或在他附近,會發生什麼事呢?

這真的值得一起來探討~

先定立標準:閃電能提供多少能量?

閃電是大自然中最純粹的能量展現之一,經過大氣學家的觀測和預估,一道閃電電壓大概是 3 億伏特,帶有 10 億焦耳的能量,這差不多是燃燒 30 公升左右的汽油。

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聽起來非常的厲害,那我們利用閃電來獲得能源會不會是個好方法?

其實從 1980 年代開始科學家就有這種想法,但是他們發現這其實很不切實際,主要原因有幾個:閃電很難預測、傳導到地面上能量又會大減、效率很不穩定……但那是大自然的閃電,讓沙贊變身的可是充滿神力的閃電耶!不只能夠提供沙贊穩定且高能的能量來源,還可以藉由跟蹤比利知道閃電的位置和時間。

我們只要把比利抓起來請出來,跟他預約時間大喊沙贊,就可以發電了~

圖/GIPHY

現在的問題是……這道閃電有多少能量呢?

要知道一道神奇閃電帶有多少能量其實有點困難,因為一旦比利變身之後,他似乎沒有時間限制,不像超人力霸人那樣有 3 分鐘的活動上限,後者會比較好估算是因為你可以設想這 3 分鐘內超人力霸王做了哪些事情,在逐一拆解。

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所以筆者覺得最能夠執行的方式,是羅列出電影中沙贊一次變身基本上會做到的事情,這樣結果應該就足夠是神力閃電的基本盤。

從電影《沙贊!眾神之怒》中,筆者列出幾個沙贊在超級英雄狀態時做的事,包括:

  1. 以音速飛行 10 分鐘
  2. 把一隻體型巨大的飛龍打飛 10 公尺
  3. 把一台車移動 200 公尺
  4. 從手中放出好幾道像特斯拉線圈的能量閃電

這樣感覺差不多了吧……等等~還有一件很重要的事,就是這道閃電同時還把一名 17 歲的青年變成一名看起來 30 歲的成年人,這瞬間成長所需的誇張能量應該也要算進閃電的功勞裡,所以這個列表還要加進另一項:

  1. 讓 17 歲的青年成長成 30 歲男性的所需熱量
長大成這樣~ 圖/IMDb

那我們接下來可以逐一估算了。

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  • 那首先就來計算成長所需的熱量吧!

要讓人成長的能量,其實也是熱量,也就是大家耳熟能詳的卡洛里,1 千大卡的熱量差不多是 4184 焦耳的能量。

根據衛服部提供的資料,一名成年人每日所需的熱量依他的活動量和體重來決定,那沙贊毫無疑問絕對是重度活動量那一類的,體重的話少年比利看起來介於 60~70 公斤之間,而飾演沙贊的演員柴克萊威曾說為了演戲需要增重到超過 90 公斤,雖然隨著體重增加每日所需熱量也會不同,但為了簡單估算,我們姑且用 80 公斤算到底吧~

圖/衛福部

比利瞬間成長為超人般壯碩所需能量= 40 大卡 x 80 公斤 x 365 天 x (30-17) 年 x 4184 J= 6.35x 1010 焦耳 = 635 億焦耳

這數字怎麼已經有點大了……但在吐槽之前,我們先把其他的所需能量都估算完吧~

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  • 以音速飛行 10 分鐘

這裡我們借用四分之一英里估算法,這是個可以從物體重量(通常是車子)和行駛四分之一英里所需的時間來求得功率的簡單方式。

沙贊體重 90 公斤,而他在音速下完成 1/4 英里所需的時間為 1.2 秒,根據線上工具估算,這名英雄相當於擁有 22,876 馬力,轉化為瓦特差不多是 1700 萬瓦特,如果沙贊要飛行 10 分鐘,他就會需要大約 100 億焦耳的能量

  • 把一隻體型巨大的飛龍打飛 50 公尺

這個計算方式並不困難,就是簡單的做功運算,但是筆者遇到了很嚴重的問題:電影中的飛龍-拉頓到底多重呢?

經過一番搜尋,網路上對於一條中世紀奇幻飛龍到底有多重幾乎是沒有定論,看起來好像沒有人有認真算過,所以筆者打算自己來操刀,解決這個世紀大謎題 (?)。

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有看過《空想科學讀本》的人對筆者使用的方法一定不陌生,就是把模型浸到水裡面,估算體積之後放大,再考慮密度來求得飛龍的體重。

所以筆者到了地下街的玩具店,買了一條看起來最像電影中奇幻飛龍體型的模型玩具(其實是動漫《轉生成為史萊姆》的公仔,似乎是主角後期的樣子吧?筆者沒有看不清楚~),將它放進水盆裡面裝水,做好水位標記之後取出模型,水位下降之後從水盆的面積和下降高度求得玩具龍的體積大概是 0.000283 立方公尺,這時我們需要玩具龍的身長和電影中的拉頓身長來做等比放大,玩具龍身體差不多是 25 公分,而從電影中拉頓站在棒球場內野的畫面來做估算,它的身長大約是 25 公尺,身長差 100 倍,所以體積會變 100 的 3 次方也就是 100 萬倍,所以說拉頓的體積大概是 283 立方公尺。

筆者買到的龍模型,雖然它是站立的,但平放在地上看起來跟電影中的龍差不多。圖/作者提供

這時我們需要拉頓身體的密度來求得體重,如果拉頓是生物的話,它的身體密度應該也要接近水(每立方公尺 1000 公斤),例如人體的密度就差不多是每立方公尺 1062 公斤,但是電影中拉頓身體看起來有點像是由木頭構成的,而世界上最堅硬的木頭是澳洲鐵木樹(Australian buloke)密度是 1085 kg/m3,再加上龍的奇幻性質,我想把拉頓的身體密度定為 1100 kg/m3 應該是還可以接受的吧?

如果用這個方式估算,電影中看守花園的飛龍拉頓,體重大概會是 311 公噸,我們套入物理課本中看過的做功計算公式,可以知道沙贊把一條龍打飛 50 公尺所需要的能量,大概會是 7775 萬焦耳

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電影中飛龍的劇照。圖/Twitter
  • 把一台車移動 200 公尺

相較前面兩個,這計算相對簡單一點,我們一樣用上面的作功公式來求需要能量,而我們需要的就是車子的重量。根據統計,美國一般路上的車子平均重量為 1800 公斤,如果要在 3 秒鐘內移動 200 公尺,就相當於需要 4 百萬焦耳

  • 從手中放出好幾道能量閃電

沙贊從手上放出閃電,看起來就像是電弧的一種,而電弧是因為有強大的電場或高壓電存在,使的原本不導電的物質電漿化得以使電流通過的現象,而說到能夠最穩定產生電弧的狀況,筆者第一個想到的是在現實中會看到的特斯拉線圈。

特斯拉線圈是一種由知名物理學家特斯拉發明的強大變壓器,這種變壓器使用共振原理運作,主要用來生產超高電壓但低電流、高頻率的交流電力,因為特斯拉線圈可產生絢麗的電弧效果,所以很常在一些科學博物館或展示中看到,而世界上最強大的特斯拉線圈: Electrum 的能量使用率為 130,000 瓦特,假設沙贊能夠用同等功率放出電弧長達 10 秒鐘,就會需要 130 萬焦耳的能量。

Electrum 特斯拉線圈。圖/wikipedia

這下子我們需要的數字都有了!

這道神奇閃電所附帶的能量大約是:

635 億(變成大人)+100 億(音速飛行 10 分鐘)+7775 萬(打飛一條龍)+400 萬(移動一台車)+130 萬(放出閃電)= 735 億 8305 萬焦耳

 而正常世界一道閃電的能量大約是 10 億焦耳,也就是說~這道神奇閃電差不多是等於 74 道現實中閃電的能量。

好厲害啊!真不愧是奧林帕斯的眾神,能夠這麼精準的傳遞如此巨大的電能量根本就是神蹟…..也確實是神蹟沒錯~

但是如果一個不小心承接這道能量的人不是沙贊的話,會發生什麼事呢?

一般人被普通的閃電擊中就已經不是鬧著玩的了!

直接被閃電擊中的人會成為電流的一部分,一部分電流會沿著皮膚表面移動,另一部分會穿過身體的心血管或神經系統,前者會對皮膚造成灼傷,後者則有可能造成呼吸停止或心臟驟停,但我們還是能找到一些歷史上從雷擊中生還的故事,因為有沒有辦法在雷擊中活下來是跟就醫和電流通過體內的時間而定……運氣好的話,你不會死的。

但是在沙贊的神奇閃電面前,這一切都成為笑話。

這道 735 億焦耳的閃電能量相當於 2 顆歷史上最強大非核子炸彈:炸彈之母(GBU-43/B 大型空爆炸彈)爆炸所釋放出的能量,所以如果今天好死不死沒有打在比利身上,而是擊中地面的話,後果一定不堪設想,周遭的親友絕對是灰飛煙滅,費城可能會變成廢墟,之前說的收集能量可能完全行不通,因為應該沒多少設備儀器能夠承受如此巨大的威力。

反倒是比利啊~你是不是在承接沙贊能力時同時被改造了,被2顆炸彈之母轟炸都沒事,真是太神啦!還有就是一定要站好喔~

全世界只有這位男人能承受的力量。圖/IMDb
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Rock Sun
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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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【科學寶可夢】朱/紫中的骨紋巨聲鱷 & 狂歡浪舞鴨:一個締造火焰新紀錄、一個用腳踢破音速
Rock Sun
・2022/12/23 ・3135字 ・閱讀時間約 6 分鐘

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!跟著泛科空想寫手 Rock 一起來上一門訓練師的科學課吧!來跟大家分析這些寶可夢的戰鬥是多麼的「科學」。

骨紋巨聲鱷:火焰溫度新紀錄

Skeledirge - WikiDex, la enciclopedia Pokémon
圖/Bulbapedia

啊~火焰!

幻想世界中骨灰級的攻擊武器,也是空想科學寫作時常遇到的對手。

在過去的【科學寶可夢】中,火焰已經不是第一次出現了。第二篇關於噴火龍的科學中就有稍微提到,後來因為鴨嘴火龍和火伊布的圖鑑敘述都有提到他們火焰的溫度,所以在同一篇一起分析過,但那已經是第一世代寶可夢的事了~ 現在圖鑑都來到 900 號了,事情果然很不一樣。

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溫柔的歌聲能治癒聽者的靈魂,會使用攝氏 3000 度的火焰把敵人燒成灰燼。」——骨紋巨聲鱷紫版敘述註1

骨紋巨聲鱷的敘述很直接,就是直接說出了牠噴出的火焰溫度,這簡直是一個福音,這樣我們就不需要到處拼湊,可以直接地將這個數字與過去的幾個得到的火焰溫度做比較。

噴火龍:至少 1400 ℃

鴨嘴火龍:1200 ℃

火伊布:1650 ℃

火爆獸:800℃

骨紋巨聲鱷:3000℃

這也太高了吧!?先別說生物怎麼有辦法產生這種高溫註2,真的要把人燒成灰燼哪裡需要 3000℃ 啦!

就算燒成這樣只要幾百度應該就夠了。圖/維基百科

一般把屍體燒成骨灰的火葬場,溫度只需要 1000℃ 就夠了,3000℃ 根本是大材小用,而你知道這個溫度能夠辦到什麼事嗎?

絕大部分我們知道的物質在這種溫度下都會熔化或者汽化,能夠倖存的元素大概只有鎢、錸、鋨這幾個金屬還有一些特殊的聚合物了;如果燒的是人的話,別說是燒成灰,整個身體一定在一陣白光下消失的無影無蹤……因為在這種溫度下,火焰不會是正常的橘紅色,而是白色的。

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這時如果骨紋巨聲鱷的訓練師就直接站在它旁邊,就算不是被直接擊中,他那超過岩漿溫度兩倍的 3000℃ 火焰所散發出的熱氣和輻射熱註3,應該足以讓訓練師瞬間嚴重灼傷,再加上強光,這絕對是不支倒地然後變成逐漸變成焦屍,然後跟四周的花草樹木付之一炬。

所以如果要叫你的骨紋巨聲鱷使出噴射火焰的話,記得先閃的非常非常遠,放招後遠距離收回寶可夢,然後趕快離開被焚化、整個燒得亂七八糟的現場。

「我只是叫我的骨紋巨聲鱷用一下火花」。圖/envato.elements

狂歡浪舞鴨:這到底是哪一國的超強踢腿舞啊?

圖/Bulbapedia

如果要說格鬥系的寶可夢要怎麼在圖鑑中誇耀他們的力量,最常用的方式就是:把東西丟出去或弄壞。

在以前的的腕力+豪力+怪力的文章中,我們可以看到各種誇耀寶可夢力氣的方式,例如、「能夠跟 100 個成年人角力把他們摔出去」、「可以用一隻指頭舉起相撲選手」、「有辦法舉起一台垃圾車」、「把人打飛到地平線彼端」……等。

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而這次,我們的狂歡浪舞鴨的特技是能夠踢翻一台卡車。

只要一腳就能踢翻卡車的強韌腳力,展現充滿異國風情的舞蹈。」——狂歡浪舞鴨朱版敘述註4

要計算這有多誇張,我們需要知道一個非常重要的資訊……究竟是哪一種卡車呢?

卡車這種交通工具有非常非常多的規格,最輕的例如小皮卡只有 2~2.5 公噸,最重的可以達到 15 公噸,甚至在某些重工業地區可以找到更重的運貨卡車。

寶可夢朱/紫據稱是參考西班牙為藍本設計的,經過一番搜尋之後,筆者得知西班牙地區是全歐洲輕型卡車比例最高的地方註5,這類卡車本身重大概介於 3~4 公噸之間,如果滿載貨物的話,重量可以達到 10 公噸以上,我們這邊就大概取個平均值 7 公噸好了。

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像這類的卡車就是輕型卡車~ 圖/ISUZU

然後我們還得先定義踢翻卡車這件事情:我們就假設狂歡浪舞鴨用腳朝卡車的側面一半高的地方踢下去,然後車子會以一邊的車輪為支點翻過去,側面著地。

經過一些力矩的計算,我們可以知道要把一台 7 公噸重的卡車踢翻,需要從從中間給予大約 68600 牛頓的力……這可比一台小汽車引擎全力輸出時的力道還要強啊~

筆者自製大略圖解

但是最誇張的還在後面!

最後一步,我們想要知道狂歡浪舞鴨的這一腿到底有多快!要得到這個結果,筆者需要知道此鴨的整隻腳重量為何,因為畢竟是腳在對卡車施力的。

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圖鑑上寫說狂歡浪舞鴨體重為 62 公斤,而牠的外貌滿接近人形生物的,所以我們先參考人體結構來預估。人類的一整支腳平均占全身體重的 16~18% 左右,我們的狂歡浪舞鴨看起來腿略長,而且既然是格鬥系的,那牠的腿應該很壯,我們就假設牠的整隻腿重量占比更多,大概是全身的 25%,重量的話就是差不多 15.5 公斤。

要計算牠這腿速度多少,我們最後剩下需要的假設的就是假設腿和卡車的接觸時間,依照之前的經驗,就姑且設定為 0.1 秒接觸,然後腿踢中之後立刻停下,再加上很不合理的力道 100% 轉換假設,但是相信我~不這麼做的話答案只會更扯。

套入牛頓第二運動定律的公式,我們可以知道這腿在停下來之前,速度高達秒速 443 公尺也就是音速的 1.3 倍,這也太快了吧!你的腳怎麼沒有被音爆撕裂啊?相較之下,泰拳高手秒速 17 公尺的踢擊根本是個笑話,如果被狂歡浪舞鴨的這一腳踢到,我看大部分的寶可夢應該是內臟破裂死亡了。

如果是普通人的話,被踢一腳一定直接全身骨折,內臟破裂,任督二脈也不用通了。圖/GIPHY

這真是太恐怖了,但狂歡浪舞鴨你為什麼無聊要去踢卡車啊?這種腳力你應該要去踢足球啊!還有這到底是哪一國的舞蹈會有如此的訓練呢?真想知道~

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註解:

  1. 骨紋巨聲鱷的另一版敘述是「可以透過歌聲改變外形的火鳥,據說是靈魂寄宿在頭上的火球所形成的。」,從這個敘述我們知道牠的火焰跟某種靈魂力量有關,這大概就是為什麼火焰溫度能達到 3000 度的秘訣吧?話說筆者很確定是這裡的溫度是說攝氏,因為英文版的敘述中有寫是 5400 華氏。
  2. 也有可能……骨紋巨聲鱷根本不是生物!畢竟牠有幽靈屬性,但這表示牠的出現根本不是進化,而是死亡呢?
  3. 這裡我們因為 3000℃ 的火焰而傷透腦筋,但你知道嗎?這還不是寶可夢圖鑑裡最扯的,有兩隻寶可夢:熔岩蝸牛 和 噴火駝,他們的圖鑑敘述都寫到牠們能夠產生 1 萬度 ℃ 的高溫,前者是體溫,後者是噴出的岩漿,這確定不是多寫一個0嗎? 目前科學家有辦法產出最高的溫度只有 4990℃ 而已啊~
  4. 狂歡浪舞鴨另一版的敘述是「會用充滿異國情調的舞蹈迷倒看到的對手,然後揮舞以水構成的羽飾將其劈裂。」為什麼羽飾是用水構成的啊?這是怎麼辦到的?這跟強力水刀差在哪裡?
  5. 幸好這代寶可夢不是參考德國,因為這是歐洲重型卡車比例最高的地方,如果狂歡浪舞鴨源自這裡,他這一腳一定超出天際。

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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