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鑰匙怎麼開門?先搞清楚鎖中暗藏的彈簧奧秘—《知識大圖解》

知識大圖解_96
・2017/01/29 ・677字 ・閱讀時間約 1 分鐘 ・SR值 514 ・六年級

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這個簡單的裝置如何保護你的財物安全?

自古以來,人類使用各種鎖與鑰匙來確保居家財物的安全。最早的鎖由一組木製鎖簧所組成,唯有相符的鑰匙才能推動鎖簧,順利開鎖。這種鎖名為鎖簧鎖(pin-lock),是現代彈子鎖(pin-tumbler lock)的原型。

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圖片來源:all that is interesting

 

彈子鎖的鎖芯內有一組以彈簧連接,且長度不一的上、下鎖簧。將扁平的小鑰匙插入鎖芯時,鑰匙側緣的鋸齒會將鎖簧向上推;使用正確的鑰匙時,下鎖簧的頂端就會齊平,也就是下鎖簧準確落入鎖芯內。如此一來,開鎖者便能轉動鎖芯,順利開鎖。其他鑰匙也許也能插入,但因下鎖簧頂部無法對齊,因此無法轉動鎖芯。

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本圖出自《How It Works 知識大圖解 國際中文版》第 27 期(2016 年 12 月號)。

不過,並非所有鑰匙都呈扁平狀。中世紀流行的凸塊鎖即採用圓柱狀的鑰匙。這種鎖的內部並無鎖簧,而是有個凸塊構造,插入的鑰匙若不相符即無法動彈;唯有擁有正確「刻槽」的鑰匙才能順利轉動鎖芯。這種設計也促成了首款萬用鑰匙的誕生;萬用鑰匙上的刻槽大多被銼平,因此不會被鎖內的凸塊擋住。

許多公司正在研製不需鑰匙即可打開的機械門鎖;只要你出聲或刷一下智慧型手機,就能開鎖。不過,目前多數的鎖還是只能以傳統的鑰匙來開啟。

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2016-12_hiw_27

 

本文節錄自《How It Works 知識大圖解 國際中文版》第 27 期(2016 年 12 月號)

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知識大圖解_96
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如何靠溫度控制做出完美的料理?
鳥苷三磷酸 (PanSci Promo)_96
・2024/06/21 ・2705字 ・閱讀時間約 5 分鐘

本文由 Panasonic 委託,泛科學企劃執行。 

炸雞、牛排讓你食指大動,但別人做的總是比較香、比較好吃?別擔心,只要掌握關鍵參數,你也可以做出完美料理!從炸雞到牛排,烹調的關鍵就在於溫度的掌控。讓我們一起揭開這些美食的神秘面紗,了解如何利用科學的方法,做出讓人垂涎三尺的料理。

美味關鍵 1:正確油溫

炸雞是大家喜愛的美食之一,但要做出外酥內嫩的炸雞,關鍵就在於油溫的掌控。炸雞的油溫必須維持在 160 到 180℃ 之間。當你將炸雞放入熱油中,食物的水分會迅速蒸發,形成氣泡,這些氣泡能夠保證你的炸雞外皮酥脆而內部多汁。

水的沸點是 100℃,當麵衣中的水分接觸到 160℃ 的熱油時,會迅速汽化成水蒸氣。這個過程不僅讓麵衣變得酥脆,也能防止內部的雞肉變得乾柴。

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如果油溫過低,麵衣無法迅速變得酥脆,水分和油脂會滲透到食物中,使炸雞變得油膩。而如果油溫過高,水分會迅速蒸發,使麵衣變得過於硬或甚至燒焦。

油炸時,麵衣水分會快速汽化。 圖/Envato

美味關鍵 2:焦糖化與梅納反應

另一道美味的料理——牛排。無論是煎牛排還是炒菜,高溫烹調都會帶來令人垂涎的香氣,這主要歸功於焦糖化反應和梅納反應。

焦糖化反應是指醣類在高溫下發生的非酵素性褐變反應,這個過程會產生褐色物質和大量的風味分子,讓食物變得更香。而梅納反應則是指醣類與氨基酸在高溫下發生的反應,這個過程會產生複雜的風味分子,使牛排的色澤和香氣更加迷人。

要啟動焦糖化反應和梅納反應的溫度,至少要在 140℃ 以上。如果溫度過低,無法啟動這些反應,食物會顯得平淡無味。

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焦糖化反應


焦糖化反應與梅納反應。圖/截取自泛科學 YT 頻道

油溫與健康

油溫不僅影響食物的風味,也關係到健康。不能一昧地升高油溫,因為每種油都有其特定的發煙點,即開始冒煙並變質的溫度。當油溫超過發煙點,會產生有害物質,如致癌的甲醛、乙醛等。因此,選擇合適的油並控制油溫,是保證烹調健康的關鍵。

說了這麼多,但是要怎麼控制溫度呢?

各類油品發煙點 。圖/截取自泛科學 YT 頻道

科學的溫度控制

傳統電磁爐將溫度計設在爐面下,透過傳導與熱電阻來測溫,Panasonic 的 IH 調理爐則有光火力感應技術,利用紅外線的 IR Sensor 來測溫,不用再等熱慢慢傳導至爐面下的溫度計,而是用紅外線穿透偵測鍋內的溫度,既快速又精準。

而且因為紅外線可以遠距離量測,如果甩鍋炒菜鍋子離開爐面,也能持續追蹤動態。不會立即斷開功率關掉,只要鍋子放回就會繼續加熱,效率不打折。

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好的溫度感測還要搭配好的溫度控制,才能做出一流的料理。日本製的 Panasonic IH 調理爐,將自家最自豪的 ECONAVI 技術放進了 IH 爐中。有 ECONAVI 的冷氣能完美控制你的室溫,有 ECONAVI 的 IH 調理爐則能為你的料理完美控溫。

有 ECONAVI 的 IH 爐不只省能源、和瓦斯爐相比減少碳排放,更為料理加分。前面說了溫度就是一切的關鍵,但是當我們將食材投到熱鍋中,鍋中的溫度就會瞬間下降,打亂物理與化學反應的節奏,阻止我們為料理施加美味魔法。

所以常常有好的廚師會告訴我們食物要分批下,避免溫度產生太大變化。Panasonic IH 調理爐,只要透過 IR Sensor 一偵測到溫度下降,就能馬上知道有食材被投入並立刻加強火力,讓梅納反應與焦糖化反應能持續發揮變化。而當溫度回到設定溫度,Panasonic IH 調理爐也會馬上將火力轉小,透過電腦 AI 的迅速反應,掌握溫度在最完美區間不劇烈起伏。

不僅保證美味關鍵,更不用擔心油溫超過發煙點而導致油品變質,讓美味變得不健康。

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透過 IR Sensor 精準測溫並提升火力。圖/截取自泛科學 YT 頻道
IH 調理爐完美控溫 。圖/截取自泛科學 YT 頻道

舒適的烹飪環境

最後,IH 爐還有一個大優點。相比於瓦斯爐,因為沒有使用明火,加熱都集中在鍋具。料理過程更安全,同時使用者也不會被火焰的熱氣搞得心煩意亂、汗流浹背,在廚房也能過得很舒適。而且因為熱能集中,浪費的能源也更少。

因為沒有使用明火,料理過程安全又舒適。圖/截取自泛科學 YT 頻道
Panasonic IH調理爐火力精準聚集在鍋內。圖/Panasonic提供

為了更多的功能、更好的效能,我們早已逐步從傳統按鍵手機換成智慧型手機。一樣的,在廚房內,如果你想輕鬆做出好料理,同時讓烹飪的過程舒適愉快又安全。試試改用 Panasonic IH 爐,一起享受智慧廚房的新趨勢吧!👉 https://pse.is/649gm5

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上古黑科技?中國古人比你想像中更懂「彈簧」
劉律辰
・2023/04/18 ・2415字 ・閱讀時間約 5 分鐘

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1676 年,英國科學家羅伯特·虎克(Robert Hooke,1635 C.E.~ 1703 C.E.)拋出了一句拉丁文字謎:“ceiiinosssttuv”;兩年後,虎克揭示了它的謎底:“ut tensio sic vis”——「力如伸長」,吾人熟稔的彈性定律,又稱「虎克定律(Hooke’s law)」。

彈性定律的提出,還得歸功於彈簧的發明,中小學課本的 “F=-kx”,即「彈性恢復力等於彈力常數乘以形變量」,為虎克定律在理想彈簧中的形式,事實上,虎克定律適用範圍甚廣,除卻金屬,也包含弓弦等其他材料。在所有材料中,適用的公式為“σ=Eε”,即「應力等於彈性模量乘以應變。應力為單位截面積受力,即 F/A;應變為單位長度形變量,即 ΔL/L」,也能寫為 “ΔL=E-1×L×σ”,即「形變量等於彈性模量的倒數乘以總長乘以應變」。

彈簧。圖/envatoelements

廣義的彈簧包含一切比例得當、可彎曲的合金,在人類歷史上使用第一種合金——青銅以後,這個比例經歷數千年才被找到。前三世紀托利密王朝的克特西比烏斯(Κτησίβιος,285 B.C.E.~222 B.C.E.)就找到了這樣的青銅比例,然而當他想要進一步用於研發彈射武器時,卻發生技術上的困難,無法發揮預想的效果,直到後世找到更佳的彈性比例後才慢慢改善;反觀秦始皇陵出土的寶劍被數噸陶俑壓折得嚴重彎曲,經歷了兩千餘年後出土,竟還能彈回原貌!

人們紛紛將此劍稱為「秦王朝具有記憶功能的黑科技」。重點是,秦國的武器鑄造具有非常嚴謹的標準化流程,常見於武器上的「物勒工銘」,即是從高層的「相邦」、「工師」、「丞」,乃至每個工匠,皆須於武器刻上名字,以示負責。至今,秦人一絲不苟的精神,仍可見於數以千計而毫髮不爽的出土刀劍,更可推知與托勒密王朝同一時期的中國,早已將彈性合金的技術瞭若指掌,運用成熟。

今人熟知的「彈簧」,稱作螺旋彈簧(Coil spring,或譯「盤繞彈簧」),出現於 15 世紀初,它促成發條的出現,其中最早使用發條的文物為 1430 年代全盛時期勃艮第公國(今法國中部)的“Burgunderuhr(勃艮第時鐘)”,解決了原本滑輪驅動過於笨重與動力不足的問題,而後比德·海萊恩(Peter Henlein,1485 C.E.~1542 C.E.)更以此技術,發明最早的手錶(須注意:部分資料以海萊恩為發條發明者,這是錯誤的)。

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然於四十多年前戰國曾侯乙墓(墓主人曾侯乙薨於楚惠王五十六年,433 B.C.E.)出土的一串糾纏的金彈簧,將螺旋彈簧出現的時刻整整提早將近兩千年。無論何種「彈簧」,當時的中國的技術在世上可謂超倫軼群,那麼,更早善用彈簧的中國人,有可能更早發現彈性定律嗎?

曾侯乙墓。圖/wikipedia

「彈力」一詞最早見於晚唐段成式《酉陽雜記》,其曰:「彈力五斗。」其中「斗」為重量單位,乍看之下與今人使用的「公斤重(kgw)」、「公克重(gw)」並無二致。因此在談論彈力前,吾人須先釐清一項重要問題:古人認知的「力」,與今人有幾分相似呢?古人是否對重量與質量有清楚的認知呢?

誠如上文所述,古人最需計量的「力」,當屬「重力」,乃因重力涉及日常秤重,因此量測重力的方法,必然在原始社會的勞動人民中已能見到。

戰國墨子(周貞定王元年至周安王二十六年,468 B.C.E.~376 B.C.E.)的《墨經》曰:「力,重之謂,下、與(舉),重奮也。」意為:「重量是力的表現,向下墜落、向上舉起,皆由重量所導致。」亦即將「重量」視作向下的「拉力」;又曰:「刑(形)之大,其沉淺也,說在衡。」意為:「形體大的物體,沉入水中較淺,其機制在於平衡。」以現代物理觀念理解,「在衡」的緣故就是體積較大物體上下兩端的液壓差形成浮力,以現在公式理解就是 “B=ρ×V×g”,即「浮力等於液體密度乘以下沉體積乘以重力加速度」,墨子此話同時體現出「力平衡」的觀念。

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除卻重力,「彈力」觀念也萌芽於古人重視的射術——山西峙峪遺址出土的石箭簇距今約 28000 年,經過漫長的發展,更成為西周貴族子弟必學的「六藝」之一。鑒於秤重的必要,在墨子的力觀念與「彈力」一詞出現之前,重物已被用於測量彈力。春秋末《左傳》曰:「弓六鈞。」春秋、戰國之交記載齊國度量衡等資料的《考工記》曰:「量其力,有三勻(鈞)。」無庸置疑,皆為重物量測弓弦受力之證,在力學觀念尚未發達的時代,能將重力與彈力連結,是十分先進的。

到了西漢中至東漢中的《居延漢簡》,彈力的量測以能達到斤、兩(十六兩為斤,三十斤為鈞,四鈞為石。戰國一兩約 15.8 公克重,兩漢一兩約 13.8 公克重)。隨著量測彈力愈漸精準,產生「應變與應力成正比」經驗,也就無從詫異了。

居延漢簡。圖/wikipedia

東漢晚期經學家鄭玄(漢順帝永建二年至漢獻帝建安五年,127 C.E.~200 C.E.)對「量其力,有三勻(鈞)」註曰:「每物加一石,則張一尺。」可謂世界上彈性定律至早的提出者,早於虎克近一千五百年!到了唐代的賈公彥,又對應變與應力的正比性質作出更清楚的闡述:「一石張一尺,二石張二尺,三石張三尺。」

可惜的是,中國始終沒有發現地心引力,因此不能嚴格區分質量與重量,也未將這些經驗推向數學化的過程。中古以後,中國的物理學進展趨緩,上古的科學成就在一次次的戰火中成為鳳毛麟角的絕學,也在一次次的朝代遞嬗與制度變革裡步步失去士大夫的重視,最終淡化在歷史的洪流與知識分子的記憶,直到被後來居上的西方文明趕超。

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嗶——超速了!什麼?聲音竟然有「速限」
linjunJR_96
・2020/11/11 ・1866字 ・閱讀時間約 3 分鐘 ・SR值 565 ・九年級

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光速是宇宙的終極速限,任何的物質運動和資訊傳遞都不准超速。不過最近有人做出了最新預測,除了一般物質外,聲音的傳遞速度竟然也有最大上限?

不管是光(電磁波)還是聲音,都是以波動的形式傳播。值得注意的是,波速只會跟系統本身性質(例如:介質不同)有關,一般的繩波或是水面波同樣也是如此,不論震動得多用力或多快,都不會讓波跑的更快或更慢。

我們可以把聲波的傳遞想像成下圖中的彈簧。既然彈簧波的速度可以用彈性係數和彈簧質量來表示,同樣的,聲速應該也可以用某些性質來描述。

可以把聲波的傳遞想像成圖中的彈簧。圖/Shyam Srinivasan

先從聲音的性質說起

聲音在不同材料中傳遞的差異,可以用體積模數(Bulk Modulus,簡寫 B )來表示。體積模數代表物體在面對外部壓力時,會做出多少體積上的改變。數學上可以寫成:

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等號左邊是施加的壓力,右邊是體積模數 B 乘上體積變化量占總體積的比率,負號只是習慣,這代表相同壓力下,B 值越大物體越不容易壓縮,和彈簧的 F=-kx 類似。我們知道越「硬」的彈簧反應越快,可以更快地傳遞波動;同樣地,比起在空氣中傳遞,聲速在較難壓縮的液體和固體中會比較快。因此不難看出,B 會與聲速扯上關係,而且 B 值越大聲速越快。

聲波在固體傳播的速度比在空氣中快。圖/giphy

一般來說,聲速可以寫成:

分子就是上面提到的體積模數 B,而分母的材料密度則表示介質越稀疏,聲速越快。國中學過的聲速與溫度成正比便是這個道理,當溫度變高時,空氣體積膨脹,密度變小,因此聲速傳遞更快。

為什麼聲速有上下限?

不過公式中的 B 和材料密度都是需要透過實驗獲得的材料參數,因此很難看出聲速會有什麼上下限。如果要再往前一步,就必須進入微觀的原子尺度。想像兩個同極相斥的磁鐵,彼此互相靠近時,斥力會逐漸變大;這是因為隨著兩個相斥磁鐵逐漸靠近,抵抗靠近的磁力位能會逐漸增加。

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當兩個同極磁鐵互相靠近,因抵抗靠近的磁力位能增加,斥力會逐漸變大。圖/giphy

同樣地,當原子間的鍵結能量增加,將兩顆原子拉伸或壓縮的難度會隨之上升,物體也就越不容易被壓縮。也就是說,體積模數 B 正比於單位體積內原子間的鍵結能量,巧合的是,材料密度也能寫成單位體積內的原子質量,於是我們可以將聲速寫成:

一般固態物質中,鍵結能量可由古早的波耳氫原子模型導出,大約是 α2c2me / 2(原子質量),α 是一大串常用的物理常數,c 是光速,me 是電子質量。於是我們在原子尺度的物理圖像中,得到了聲速的新公式:

公式中的英文字母都是常數,唯一重要的是原子質量,原子質量越小的聲速便越快。依照理論,聲速最快的會是原子量=1 的固態氫原子,聲速為 36100m/s 。

聽起來很厲害,實際上真的是如此嗎?

針對一系列不同原子量的固態元素,我們可以看看他們的聲速是否的確符合預期。不過因為 B 的實際值和鍵結種類,晶格結構等複雜因素有關,因此並不會完全落在理論線上,不過整體的趨勢十分吻合。

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固態元素中聲速對原子量的對數圖。斜直線為斜率 -0.5 的理論預測,虛線為擬合直線。紅點為原子量=1時的聲速上限。圖/Science advance

有趣的是,如果我們將新的聲速公式移項一下,會發現聲速上限對光速的比率,可以用簡單的物理常數來表示,這點是前人使料未及的。這結果或許不像光速這麼絕對,不過仍然是一次很漂亮的科學推理,也為固態物理的理論與實驗提供了嶄新的發展題材。

參考資料

  1. Trachenko, K., Monserrat, B., Pickard, C. J., & Brazhkin, V. V. (2020). Speed of sound from fundamental physical constants. arXiv preprint arXiv:2004.04818.
linjunJR_96
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清大理工男。不喜歡算數學。喜歡電影、龐克、和翻譯小說。不知道該把科普當興趣還是專長,但總之先做再說。