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小蓮的盪鞦韆比雲霄飛車還恐怖!—《空想科學讀本 3》

遠流出版_96
・2016/11/26 ・2798字 ・閱讀時間約 5 分鐘 ・SR值 475 ・五年級

Heidi,_a_Girl_of_the_Alps

還記得小蓮玩的盪鞦韆嗎?在卡通《小天使》的片頭中,小蓮一面隨著主題曲的歌聲,一面盪著長~長的鞦韆。小鳥飛舞歌唱,藍天白雲朵朵,背景是美麗的瑞士阿爾卑斯山……,多麼溫暖和諧的光景啊。只不過,有件小事始終令我很在意。

那架鞦韆的繩子,也未免長得太過頭了吧?

衝啊~~~~~

衝啊~~~~~~
衝啊~~~~~~圖/截自 youtube

時速七十九公里衝衝衝

可惜的是,電視的畫面裡並沒有照出整架鞦韆的樣子。不過倒是給了我們一個關於鞦韆長度的提示,那就是鞦韆往返的時間,也就是擺動的週期。在無視擺線或繩子本身重量的情形下,單擺的擺動週期,取決於從支點到擺錘重心之間的長度,而與擺錘的重量或擺動的振幅都無關。在公園中常常可以看到長約 2 公尺左右的鞦韆,其擺動週期約為 2.8 秒。

根據租來的錄影帶畫面,來測定小蓮盪鞦韆的擺動週期。小蓮的鞦韆從盪到最前方空中停止的那一瞬間開始,直到盪到後面停止的那一瞬間為止,大約要花 6 秒,也就是說整個擺動週期約為 12 秒。為了預防萬一,我還把繩子的重量也一併考慮計算進去……。咦?擺長為 37 公尺?這也太長了吧?快跟身高 40 公尺的超人力霸王有得拚了啊!

YLF28 P16

這麼長的鞦韆,當然盪起來的高低落差也大得不得了,而且盪到最低點時的速度也應該會很快。把錄影帶的畫面靜止下來,用量角器量一下擺動的角度,可以發現她盪到最高點時繩子呈 70 度傾斜。這小丫頭很明顯地盪鞦韆盪得太過頭了!因為高低落差達到 25 公尺啊!這相當於從八層樓高的地方盪下來到地面上,而且在最貼近地面時,最高速度達到時速 79 公里【圖1】!

 

阿爾卑斯少女盪的巨大鞦韆之運動。

 

這太可怕了吧,就連東京迪士尼樂園的雲霄飛車「太空山」,最高時速也只有 50 公里。盪鞦韆還沒有安全帶可綁,只能靠屁股下面那條狹窄的木板和兩手抓住繩子而已。而且還是來回往返,特別是朝後方盪過去的時候,恐怕會嚇到心跳停止。

鞦韆要掛在哪兒?

仔細看卡通裡的畫面,在小蓮腳下遙遠的下方,還可以看到教會的鐘塔。看來小蓮是在非常高的空中玩盪鞦韆的。從目測來看,大約是在 100 公尺左右的高度吧。

在日語版主題曲的歌詞中有這麼一句:「口哨聲為何連遠方都聽得到?」聽起來這是個非常簡單的問題,那是因為妳在那麼高的地方吹口哨啊!聲音會朝向全方位呈圓頂狀傳播開來。就如同雲雀或鳶的叫聲一般清晰可聞,因為在毫無障礙物的高空中,聲音極容易傳達到地面上之故。

話說回來,在 100 公尺的高度上進行時速 79 公里的單擺運動,這也太危險了吧,正常人根本不可能受得了。可是小蓮卻能一面天真爛漫地笑著一面做出這種事,此等精神力真是非比尋常啊。

但是,還有一件事更令人在意。這架大鞦韆是掛在哪裡的啊?還有,小蓮又是如何坐上這架超級大鞦韆的啊?

日語版主題曲中,一開始就有這麼一段歌詞:「告訴我吧,牧場上的樅樹啊……」由此看來,小蓮的生活圈內似乎是有棵著名的大樹。能想得到的裝設鞦韆的地點也只有這兒了。世界上最高的樹是美國加州的紅杉,樹頂高約 110 公尺。不過只有如此高度,還不足以拿來掛小蓮的超級大鞦韆。

既然鞦韆的橫板位在 100 公尺的高空,上面還有長達 37 公尺的繩子,所以這棵牧場上的大樅樹還得要在 137 公尺的高處有長一根夠粗狀的橫枝,才能把鞦韆掛上去。真要有這種樹,就算早已枯死了,也可以輕鬆拿到「世界第一神木」的名號啦!而且保證被列入世界遺產!

不過,要坐上這鞦韆,可就麻煩了。「今天天氣真好,去玩盪鞦韆吧!」每當小蓮天真無邪地做出以上決定,接下來她就要先爬上這棵世界遺產級超巨型神木,完成了垂直攀登 137 公尺的壯舉之後,接下來再爬到橫枝上,然後沿著繩索溜下去到 37 公尺下方的橫板上坐好,接著全身開始躍動,慢慢地讓鞦韆盪起來,越盪越高,越盪越快,終於達到超過雲霄飛車的超高速……!

阿爾卑斯的少女,每天都是過著像逆天強者一般的日子啊【圖2】。

少女要玩盪鞦韆,先得爬上 137 公尺高的樹木才行。

接下來還更刺激?

那,玩夠了之後呢?該怎麼做?

普通想來,應該只能依循原來的路線倒著回去才能下鞦韆。也就是先要抓住繩子垂直攀登 37 公尺,爬到樹上之後,再從 137 公尺高的樹幹上溜下來。這可也相當不容易,萬一盪鞦韆盪得太過頭導致體力消耗殆盡,一個不留神就有可能從上面摔下來。這種玩具還真是有夠危險的。

不過在電視畫面裡的小蓮可沒那種鬼空閒慢慢窮耗,她是直接從鞦韆上面向前一跳!然後就這樣直接乘坐在雲朵上飛翔,還朝著地面上的小豆子揮手……。

2

嘿呀!(跳)
嘿呀(跳)!圖/截自 youtube

唔,這種情形又該怎麼解釋呢?

從科學的角度來考量,騰雲駕霧也並非不可能做到,只要在雲層內部持續地發生上升氣流,而其風速又和人體下墜的速度相同就行了。舉例來說,高空跳傘時下墜的速度是時速 200 公里,所以只要下方有相同速度的風吹上來,小蓮就可以停留在空中了。

但是,時速 200 公里的風就是秒速 56 公尺的風速啊。要產生這種上升氣流,除非是龍捲風。這種狀況下,地上的小豆子和小山羊等等也都該被一起捲上天了才對啊?更何況阿爾卑斯山區竟然會颳起龍捲風,這根本就是破紀錄的氣象異變了啊!

雖然有人會覺得這只是動畫的演出手法罷了,不過既然都走到這一步了,就乾脆用現實的角度思考到底吧。小蓮最後還是得從雲端上下來落地的,那她能飛多遠呢?飛得最遠的時機,就是在 33 度的時候飛出去,此時她的最大到達距離為 1050 公尺,而且著地瞬間的速度是時速 180 公里!

原來如此啊,跟這個驚險刺激的程度相比,那時速 79 公里的盪鞦韆對她來說根本是小菜一碟嘛,難怪難怪……。

垂直升降合計為 137 公尺,接著再進行時速 79 公里的單擺運動,然後再用時速 180 公里的速度跳下來著地!話說小蓮當時只有八歲,這小丫頭是如何鍛鍊出如此強健的體魄的啊?告訴我吧,(宮崎)老爺爺!

  • 阿爾卑斯山少女片頭曲。從片頭曲中,可以清楚看見以上所探討的種種天(刺)真(激)畫面。影/youtube

《空想科學讀本 3 》書封

 

本文摘自《 空想科學讀本 3 》遠流出版

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遠流出版_96
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遠流出版公司成立於1975年,致力於台灣本土文化的紮根與出版的工作,向以專業的編輯團隊及嚴謹的製作態度著稱,曾獲日本出版之《台灣百科》評為「台灣最具影響力的民營出版社」。遠流以「建立沒有圍牆的學校」、滿足廣大讀者「一生的讀書計畫」自期,積極引進西方新知,開發作家資源,提供全方位、多元化的閱讀生活,矢志將遠流經營成一個「理想與勇氣的實踐之地」。


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揭開人體的基因密碼!——「基因定序」是實現精準醫療的關鍵工具

科技魅癮_96
・2021/11/16 ・1998字 ・閱讀時間約 4 分鐘

為什麼有些人吃不胖,有些人沒抽菸卻得肺癌,有些人只是吃個感冒藥就全身皮膚紅腫發癢?這一切都跟我們的基因有關!無論是想探究生命的起源、物種間的差異,乃至於罹患疾病、用藥的風險,都必須從了解基因密碼著手,而揭開基因密碼的關鍵工具就是「基因定序」技術。

揭開基因密碼的關鍵工具就是「基因定序」技術。圖/科技魅癮提供

基因定序對人類生命健康的意義

在歷史上,DNA 解碼從 1953 年的華生(James Watson)與克里克(Francis Crick)兩位科學家確立 DNA 的雙螺旋結構,闡述 DNA 是以 4 個鹼基(A、T、C、G)的配對方式來傳遞遺傳訊息,並逐步發展出許多新的研究工具;1990 年,美國政府推動人類基因體計畫,接著英國、日本、法國、德國、中國、印度等陸續加入,到了 2003 年,人體基因體密碼全數解碼完成,不僅是人類探索生命的重大里程碑,也成為推動醫學、生命科學領域大躍進的關鍵。原本這項計畫預計在 2005 年才能完成,卻因為基因定序技術的突飛猛進,使得科學家得以提前完成這項壯舉。

提到基因定序技術的發展,早期科學家只能測量 DNA 跟 RNA 的結構單位,但無法排序;直到 1977 年,科學家桑格(Frederick Sanger)發明了第一代的基因定序技術,以生物化學的方式,讓 DNA 形成不同長度的片段,以判讀測量物的基因序列,成為日後定序技術的基礎。為了因應更快速、資料量更大的基因定序需求,出現了次世代定序技術(NGS),將 DNA 打成碎片,並擴增碎片到可偵測的濃度,再透過電腦大量讀取資料並拼裝序列。不僅更快速,且成本更低,讓科學家得以在短時間內讀取數百萬個鹼基對,解碼許多物種的基因序列、追蹤病毒的變化行蹤,也能用於疾病的檢測、預防及個人化醫療等等。

在疾病檢測方面,儘管目前 NGS 並不能找出全部遺傳性疾病的原因,但對於改善個體健康仍有積極的意義,例如:若透過基因檢測,得知將來罹患糖尿病機率比別人高,就可以透過健康諮詢,改變飲食習慣、生活型態等,降低發病機率。又如癌症基因檢測,可分為遺傳性的癌症檢測及癌症組織檢測:前者可偵測是否有單一基因的變異,導致罹癌風險增加;後者則針對是否有藥物易感性的基因變異,做為臨床用藥的參考,也是目前精準醫療的重要應用項目之一。再者,基因檢測後續的生物資訊分析,包含基因序列的註解、變異位點的篩選及人工智慧評估變異點與疾病之間的關聯性等,對臨床醫療工作都有極大的助益。

基因定序有助於精準醫療的實現。圖/科技魅癮提供

建立屬於臺灣華人的基因庫

每個人的基因背景都不同,而不同族群之間更存在著基因差異,使得歐美國家基因庫的資料,幾乎不能直接應用於亞洲人身上,這也是我國自 2012 年發起「臺灣人體生物資料庫」(Taiwan biobank),希望建立臺灣人乃至亞洲人的基因資料庫的主因。而 2018 年起,中央研究院與全臺各大醫院共同發起的「臺灣精準醫療計畫」(TPMI),希望建立臺灣華人專屬的基因數據庫,促進臺灣民眾常見疾病的研究,並開發專屬華人的基因型鑑定晶片,促進我國精準醫療及生醫產業的發展。

目前招募了 20 萬名臺灣人,這些民眾在入組時沒有被診斷為癌症患者,超過 99% 是來自中國不同省分的漢族移民人口,其中少數是臺灣原住民。這是東亞血統個體最大且可公開獲得的遺傳數據庫,其中,漢族的全部遺傳變異中,有 21.2% 的人攜帶遺傳疾病的隱性基因;3.1% 的人有癌症易感基因,比一般人罹癌風險更高;87.3% 的人有藥物過敏的基因標誌。這些訊息對臨床診斷與治療都相當具實用性,例如:若患者具有某些藥物不良反應的特殊基因型,醫生在開藥時就能使用替代藥物,避免病人服藥後產生嚴重的不良反應。

基因時代大挑戰:個資保護與遺傳諮詢

雖然高科技與大數據分析的應用在生醫領域相當熱門,但有醫師對於研究結果能否運用在臨床上,存在著道德倫理的考量,例如:研究用途的資料是否能放在病歷中?個人資料是否受到法規保護?而且技術上各醫院之間的資料如何串流?這些都需要資通訊科技(ICT)產業的協助,而醫師本身相關知識的訓練也需與時俱進。對醫院端而言,建議患者做基因檢測是因為出現症狀,希望找到原因,但是如何解釋以及病歷上如何註解,則是另一項重要議題。

從人性觀點來看,在技術更迭演進的同時,對於受測者及其家人的心理支持及社會資源是否相應產生?回到了解病因的初衷,在知道自己體內可能有遺傳疾病的基因變異時,家庭成員之間的情感衝擊如何解決、是否有對應的治療方式等,都是值得深思的議題,也是目前遺傳諮詢門診中會詳細解說的部分。科技的初衷是為了讓人類的生活變得更好,因此,基因檢測如何搭配專業的遺傳諮詢系統,以及法規如何在科學發展與個資保護之間取得平衡,將是下一個基因時代的挑戰。

更多內容,請見「科技魅癮」:https://charmingscitech.pse.is/3q66cw

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《科技魅癮》的前身為1973年初登場的《科學發展》月刊,每期都精選1個國際關注的科技議題,邀請1位國內資深學者擔任客座編輯,並訪談多位來自相關領域的科研菁英,探討該領域在臺灣及全球的研發現況及未來發展,盼可藉此增進國內研發能量。 擋不住的魅力,戒不了的讀癮,盡在《科技魅癮》