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貓體力學!喵星人的固液態之謎——2017搞笑諾貝爾物理學獎

Rock Sun
・2017/11/15 ・1860字 ・閱讀時間約 3 分鐘 ・SR值 531 ・七年級

前有薛丁格討論貓的生死,現有論文討論貓是否為流體。

就算牠一天到晚鄙視你要你清貓砂,喵星人在科學研究上也貢獻了很多的心力啊~

現在人也討論”貓“是否為流體,圖/by purdypotato@imgur。

一直以來,正常人分辨氣體、液體和固體的方式很簡單 :只要他有固定的體積和形狀,它就是固體;如果他有固定的體積但形狀會隨容器改變,它就是液體;如果它只要可以,就會變形和改變體積,它就是氣體。

根據這個原則,一個論壇(boredpanda.com)中的網友整理出了一系列貓「維持體積,但隨著容器改變形狀」的圖片,欲證明貓其實是液體。這篇論文的作者Marc-Antoine Fardin 在看過這些圖片之後,決定用更科學的方式,來探討喵星人是否真的符合流體的條件。

Image credits: guremike

在這之前,需要先知道一下他判斷的依據——底波拉數。

底波拉數(De)是假設在時間足夠的條件下,即使是最堅硬的物體(例如山)也會流動,因此流動特性不是一個材料本身的絕對屬性,而是一種相對屬性,底波拉數中整合了材料的彈性粘滯度。若底波拉數越小,材料特性越接近流體,底波拉數非常高時,則越接近固體。

底波拉數我們可以用 De= t/T,來表示,其中 t 為馳豫時間,而 T 為觀測時間尺度的比值。馳豫時間表示一材料反應施力或形變時所需要的時間,熱力學上就是達成熱平衡的時間;而觀測時間尺度是指探索材料反應的實驗(或電腦模擬)的時間尺度,後者是接下來判斷的重要依據,因為如果貓在達成平衡狀態、反應施力的時間都差不多的話,與底波拉數最有關係的就是觀測到這個行為的時間究竟是長是短。

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簡單的說~我們只需要看到貓的行為表現,就可以用底波拉數來定義「貓是否為液體」。

所以這位作者做的事情很簡單~ 他從那位網友提出的圖片中挑了幾個具有代表性的,並從這些圖片檢測貓貓的流體性質,如以下:

(a.)  這隻跳起來在空中旋轉的貓符合底波拉數上「固體」的定義。因為牠在極短的觀測時間中發生了旋轉、彈跳、型變,因為整個過程發生的時間極短,所以De>1。

(b.)  當貓再慢慢地發生形變、把杯子填滿的的時候,我們就需要把觀測時間拉長一點,因此De<1,較符合液體的定義。但和(a)綜合下來,儘管是不同一隻貓,我們還是可以先把馳豫時間t定為1秒~1分鐘之間。

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(c,d)  如果是老一點的貓,可能會有更長的延展時間(T)來發生同樣程度的型變、反應、熱平衡,所以會更接近液體,甚至趨近於氣體,理論上打破我們「貓是不可壓縮」的解設;而年輕的貓更好動,不只可以用更少的延展時間T來達到平衡,整個馳豫時間t持續的時間可能會更長 (因為停不下來),所以更接近固體。

當然這些只是少數的喵體表現,要試證明牠們是液體,就需要看到一些液體(或是類似液體的東西)才會有的特性:

(a.)當貓咪對物體的附著力大於內聚力的時候,也能進行液體獨有的毛細現象。貓體沿著身體軸心型變的時候,牠們比較習慣呈現鬆弛的狀態,所以比起側向他們更容易前後延展;再來,大部分的時候貓都是呈現表面流(有任何一面是接觸空氣,而非如下水道般的管流),所以比起貓本身的物理特性,牠與接觸面的物理性質之間的關係更加重要,才會產生這個現象。

(b.)貓體與某些物體接觸,會呈現一個極大接觸角,產生杯子表面的水會因為表面張力形成弧形的現象一樣,展現出貓也能承受剪力。

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(c.)就像瓶子中的番茄醬一樣,如果貓體的狀態低於自己的屈服應力,就不會流動,看起來像固定在罐子底部一樣。

(d.)當貓體散佈在不平整結構上的時候,就會發生這樣的情況,看似黏滯性極大的液體。

(e.)有時候貓體又據有疏水性。

(f.)光滑地板上貓體會產生的反應,牠們和硬質木板間的相對速度及剪應力、黏滯性表現,很像把水倒在地板上的行為。

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(g.)貓體在垂直牆壁上也會因為重力產生黏稠度。

以上就是作者整理出來,貓作為液體(更精確一點是流體)應該會產生的現象,而我們的喵星人都發生了…….所以牠們到底是流體還是固體呢?

從排水孔流走了(來源:giphy)

原始文獻:Rheology of……. Cats

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Rock Sun
64 篇文章 ・ 962 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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ECU: 汽車大腦的演化與挑戰
鳥苷三磷酸 (PanSci Promo)_96
・2025/07/02 ・3793字 ・閱讀時間約 7 分鐘

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本文與 威力暘電子 合作,泛科學企劃執行。

想像一下,當你每天啟動汽車時,啟動的不再只是一台車,而是一百台電腦同步運作。但如果這些「電腦」突然集體當機,後果會有多嚴重?方向盤可能瞬間失靈,安全氣囊無法啟動,整台車就像失控的高科技廢鐵。這樣的「系統崩潰」風險並非誇張劇情,而是真實存在於你我日常的駕駛過程中。

今天,我們將深入探討汽車電子系統「逆天改運」的科學奧秘。究竟,汽車的「大腦」—電子控制單元(ECU),是如何從單一功能,暴增至上百個獨立系統?而全球頂尖的工程師們,又為何正傾盡全力,試圖將這些複雜的系統「砍掉重練」、整合優化?

第一顆「汽車大腦」的誕生

時間回到 1980 年代,當時的汽車工程師們面臨一項重要任務:如何把汽油引擎的每一滴燃油都壓榨出最大動力?「省油即省錢」是放諸四海皆準的道理。他們發現,關鍵其實潛藏在一個微小到幾乎難以察覺的瞬間:火星塞的點火時機,也就是「點火正時」。

如果能把點火的精準度控制在「兩毫秒」以內,這大約是你眨眼時間的百分之一到千分之一!引擎效率就能提升整整一成!這不僅意味著車子開起來更順暢,還能直接省下一成的油耗。那麼,要如何跨過這道門檻?答案就是:「電腦」的加入!

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工程師們引入了「微控制器」(Microcontroller),你可以把它想像成一顆專注於特定任務的迷你電腦晶片。它能即時讀取引擎轉速、進氣壓力、油門深度、甚至異常爆震等各種感測器的訊號。透過內建的演算法,在千分之一秒、甚至微秒等級的時間內,精準計算出最佳的點火角度,並立刻執行。

從此,引擎的性能表現大躍進,油耗也更漂亮。這正是汽車電子控制單元(ECU)的始祖—專門負責點火的「引擎控制單元」(Engine Control Unit)。

汽車電子控制單元的始祖—專門負責點火的「引擎控制單元」(Engine Control Unit)/ 圖片來源:shutterstock

ECU 的失控暴增與甜蜜的負荷

第一顆 ECU 的成功,在 1980 年代後期點燃了工程師們的想像:「這 ECU 這麼好用,其他地方是不是也能用?」於是,ECU 的應用範圍不再僅限於點火,燃油噴射量、怠速穩定性、變速箱換檔平順度、ABS 防鎖死煞車,甚至安全氣囊的引爆時機……各種功能都交給專屬的 ECU 負責 。

然而,問題來了:這麼多「小電腦」,它們之間該如何有效溝通?

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為了解決這個問題,1986 年,德國的博世(Bosch)公司推出了一項劃時代的發明:控制器區域網路(CAN Bus)。你可以將它想像成一條專為 ECU 打造的「神經網路」。各個 ECU 只需連接到這條共用的線路上,就能將訊息「廣播」給其他單元。

更重要的是,CAN Bus 還具備「優先通行」機制。例如,煞車指令或安全氣囊引爆訊號這類攸關人命的重要訊息,絕對能搶先通過,避免因資訊堵塞而延誤。儘管 CAN Bus 解決了 ECU 之間的溝通問題,但每顆 ECU 依然需要獨立的電源線、接地線,並連接各種感測器和致動器。結果就是,一輛汽車的電線總長度可能達到 2 到 4 公里,總重量更高達 50 到 60 公斤,等同於憑空多載了一位乘客的重量。

另一方面,大量的 ECU 與錯綜複雜的線路,也讓「電子故障」開始頻繁登上汽車召回原因的榜首。更別提這些密密麻麻的線束,簡直是設計師和維修技師的惡夢。要檢修這些電子故障,無疑讓人一個頭兩個大。

大量的 ECU 與錯綜複雜的線路,也讓「電子故障」開始頻繁登上汽車召回原因的榜首。/圖片來源:shutterstock

汽車電子革命:從「百腦亂舞」到集中治理

到了2010年代,汽車電子架構迎來一場大改革,「分區架構(Zonal Architecture)」搭配「中央高效能運算(HPC)」逐漸成為主流。簡單來說,這就像在車內建立「地方政府+中央政府」的管理系統。

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可以想像,整輛車被劃分為幾個大型區域,像是車頭、車尾、車身兩側與駕駛艙,就像數個「大都會」。每個區域控制單元(ZCU)就像「市政府」,負責收集該區所有的感測器訊號、初步處理與整合,並直接驅動該區的馬達、燈光等致動器。區域先自理,就不必大小事都等中央拍板。

而「中央政府」則由車用高效能運算平台(HPC)擔任,統籌負責更複雜的運算任務,例如先進駕駛輔助系統(ADAS)所需的環境感知、物體辨識,或是車載娛樂系統、導航功能,甚至是未來自動駕駛的決策,通通交由車輛正中央的這顆「超級大腦」執行。

乘著這波汽車電子架構的轉型浪潮中, 2008 年成立的台灣本土企業威力暘電子,便精準地切入了這個趨勢,致力於開發整合 ECU 與區域控制器(Domain Controller)功能的模組化平台。他們專精於開發電子排檔、多功能方向盤等各式汽車電子控制模組。為了確保各部件之間的溝通順暢,威力暘提供的解決方案,就像是將好幾個「分區管理員」的職責,甚至一部分「超級大腦」的功能,都整合到一個更強大的硬體平台上。

這些模組不僅擁有強大的晶片運算能力,可同時支援 ADAS 與車載娛樂,還能兼容多種通訊協定,大幅簡化車內網路架構。如此一來,車廠在追求輕量化和高效率的同時,也能顧及穩定性與安全性。

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2008 年威力暘電子致力於開發整合 ECU 與區域控制器(Domain Controller)功能的模組化平台 /圖片來源:shutterstock

萬無一失的「汽車大腦」:威力暘的四大策略

然而,「做出來」與「做好」之間,還是有差別。要如何確保這顆集結所有功能的「汽車大腦」不出錯?具體來說,威力暘電子憑藉以下四大策略,築起其產品的可靠性與安全性:

  1. AUTOSAR : 導入開放且標準化的汽車軟體架構 AUTOSAR。分為應用層、運行環境層(RTE)和基礎軟體層(BSW)。就像在玩「樂高積木」,ECU 開發者能靈活組合模組,專注在核心功能開發,從根本上提升軟體的穩定性和可靠性。
  2. V-Model 開發流程:這是一種強調嚴謹、能在早期發現錯誤的軟體開發流程。就像打勾 V 字形般,左側從上而下逐步執行,右側則由下而上層層檢驗,確保每個階段的安全要求都確實落實。
  3. 基於模型的設計 MBD(Model-Based Design) 威力暘的工程師們會利用 MatLab®/Simulink® 等工具,把整個 ECU 要控制的系統(如煞車),用數學模型搭建起來,然後在虛擬環境中進行大量的模擬和測試。這等於在實體 ECU 誕生前,就能在「數位雙生」世界中反覆演練、預先排除設計缺陷,,並驗證安全機制是否有效。
  4. Automotive SPICE (ASPICE) : ASPICE 是國際公認的汽車軟體「品質管理系統」,它不直接評估最終 ECU 產品本身的安全性,而是深入檢視團隊在軟體開發的「整個過程」,也就是「方法論」和「管理紀律」是否夠成熟、夠系統化,並只根據數據來評估品質。

既然 ECU 掌管了整輛車的運作,其能否正常運作,自然被視為最優先項目。為此,威力暘嚴格遵循汽車業中一本堪稱「安全聖經」的國際標準:ISO 26262。這套國際標準可視為一本針對汽車電子電氣系統(特別是 ECU)的「超嚴格品管手冊」和「開發流程指南」,從概念、設計、測試到生產和報廢,都詳細規範了每個安全要求和驗證方法,唯一目標就是把任何潛在風險降到最低

有了上述這四項策略,威力暘確保其產品從設計、生產到交付都符合嚴苛的安全標準,才能通過 ISO 26262 的嚴格檢驗。

然而,ECU 的演進並未就此停下腳步。當ECU 的數量開始精簡,「大腦」變得更集中、更強大後,汽車產業又迎來了新一波革命:「軟體定義汽車」(Software-Defined Vehicle, SDV)。

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軟體定義汽車 SDV:你的愛車也能「升級」!

未來的汽車,會越來越像你手中的智慧型手機。過去,車輛功能在出廠時幾乎就「定終身」,想升級?多半只能換車。但在軟體定義汽車(SDV)時代,汽車將搖身一變成為具備強大運算能力與高速網路連線的「行動伺服器」,能夠「二次覺醒」、不斷升級。透過 OTA(Over-the-Air)技術,車廠能像推送 App 更新一樣,遠端傳送新功能、性能優化或安全修補包到你的車上。

不過,這種美好願景也將帶來全新的挑戰:資安風險。當汽車連上網路,就等於向駭客敞開潛在的攻擊入口。如果車上的 ECU 或雲端伺服器被駭,輕則個資外洩,重則車輛被遠端鎖定或惡意操控。為了打造安全的 SDV,業界必須遵循像 ISO 21434 這樣的車用資安標準。

威力暘電子運用前面提到的四大核心策略,確保自家產品能符合從 ISO 26262 到 ISO 21434 的國際認證。從品質管理、軟體開發流程,到安全認證,這些努力,讓威力暘的模組擁有最高的網路與功能安全。他們的產品不僅展現「台灣智造」的彈性與創新,也擁有與國際大廠比肩的「車規級可靠度」。憑藉這些實力,威力暘已成功打進日本 YAMAHA、Toyota,以及歐美 ZF、Autoliv 等全球一線供應鏈,更成為 DENSO 在台灣少數核准的控制模組夥伴,以商用車熱系統專案成功打入日系核心供應鏈,並自 2025 年起與 DENSO 共同展開平台化量產,驗證其流程與品質。

毫無疑問,未來車輛將有更多運作交由電腦與 AI 判斷,交由電腦判斷,比交由人類駕駛還要安全的那一天,離我們不遠了。而人類的角色,將從操作者轉為監督者,負責在故障或斷網時擔任最後的保險。透過科技讓車子更聰明、更安全,人類甘願當一個「最弱兵器」,其實也不錯!

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【貓奴指南】把「貓界大麻」貓薄荷抹在身上,除了方便吸貓/給貓吸還有什麼作用?
PanSci_96
・2024/02/20 ・512字 ・閱讀時間約 1 分鐘

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為什麼貓這麼喜歡貓薄荷呢?

原來是貓薄荷裡的荊芥內脂導致貓咪吸了貓心大悅,不住翻滾、流口水、打呼嚕。

但是,貓薄荷不是對所有貓都有用。不到六個月的小貓似乎不會有反應,而且有的貓喜歡,有的貓不喜歡……咦,這還和遺傳有關係嗎?

想要同時驅蚊,又讓貓貓情不自禁饞你身子嗎?那你一定要試試貓薄荷!

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荊芥內脂不只會讓貓咪快樂似神仙,也會活化蚊子體內的受體蛋白,接觸到的蚊子會產生搔癢和刺痛感。哈哈小蚊子,你也來嘗嘗癢癢痛痛的痛苦!

給你的貓貓來點刺激的快樂草吧!

延伸閱讀

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PanSci_96
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貓奴注意!喵星人石化開關的秘密——《真的假的!奇怪知識又增加了》
晴好出版_96
・2023/07/31 ・1499字 ・閱讀時間約 3 分鐘

石化的貓咪

如果我們想要驗證「掐住貓的後脖頸,貓就會乖乖石化」這件事,我們會試著掐掐自己養的貓,頂多再去掐掐朋友家養的貓。

但科學家找來了 31 隻喵星人,為牠們分組進行實驗,分析實驗資料,再進一步找出原因。布芬頓就是這樣的科學家。布芬頓認為,如果夾住後脖頸是「裝死開關」,那麼年齡、性別對喵星人這種反應的影響應該不大;相反,如果反應與年齡、性別有相關性,那麼這大概就不是裝死開關。

在他找來的 31 隻貓中,有 13 隻貓年齡在 5 歲以內,包括 5 隻雄性,8 隻雌性;還有 18 隻貓年齡介於5∼10 歲,包括 11 隻雄性和 7 隻雌性。布芬頓用壓力同樣為 140 毫米汞柱的夾子夾住牠們的後脖頸,觀察這些貓的反應。

實驗結果顯示,第一組的 13 隻貓中 12 隻有反應;第二組的所有貓都有反應。看起來,這的確是個與性別、年齡無關的「裝死開關」。

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然而,布芬頓發現,這些貓被夾起來以後,儘管會出現軀體靜止、脊柱捲曲拱起、尾巴夾在兩腿之間等舉動,但並沒有出現瞳孔渙散、體溫下降、心跳減慢等典型的裝死行為,有些貓甚至還會發出很享受的呼嚕聲。也就是說,這些貓產生的很可能並不是所謂的緊張性靜止行為,而是一種掐捏誘導的行為抑制(pinch induced behavioral inhibition,簡稱 IBI)

來自演化的行為抑制

一個月之後,布芬頓用這 31 隻貓重複進行了實驗。他發現,隨著時間推移,年齡比較大的貓對夾子的反應會變弱。到了第三個月重複實驗的時候,只有大約三分之二的貓還會對夾子有明顯反應,主要是年齡偏小的貓。

最後,布芬頓得出結論,貓被掐住後脖頸的行為是一種緊迫反應,來自進化,可能與母貓搬運小貓有關。

在進化過程中,那些被媽媽咬住後脖頸時還瘋狂亂動的小貓很容易被摔死,自然選擇(編按:也就達爾文所提出的 Natural Select)讓那些擁有「媽媽咬住後脖頸就要變乖」基因記憶的小貓存活了下來。

貓媽媽叼住小貓的後脖頸。圖/《真的假的!奇怪知識又增加了:自說自話的總裁顛覆認知的科學奇想

我們可以想像這樣的場景:在野外,帶著小貓的貓媽媽突然遭遇捕食者的襲擊,準備一口叼起自己的寶寶撒腿就跑,這時亂動亂叫的小貓就很難存活下來。也就導致了現存的所有貓科動物的基因中都寫了這樣一條紀律:被抓住後脖頸,就要老實點。甚至不管你是貓、獅子,還是老虎。

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布芬頓在實驗中還發現了一個現象:基本上每隻貓,不管年齡、性別,在第一次被夾住後脖頸時,都會產生行為抑制的反應。但隨著頻繁被夾,年齡較大的貓的反應會慢慢減弱。

這也正符合「小貓基因記憶更強,更需要有強烈反應」的邏輯。更進一步,布芬頓還從狐狸、浣熊、老鼠等動物身上找到了支持這個理論的依據。

後來,布芬頓教授根據這個理論, 設計了一款「Clipnosis」的擼貓神器,賣得相當好。Clipnosis 這個詞來自clip+hypnosis,正是「夾子」+「催眠」的意思。

當然,大家在家完全可以用文件長尾夾或者晾衣服的夾子來嘗試這種「擼貓黑科技」。但夾子的力度一定要掌握好,如果壓力太大了,貓疼,你也要做好被貓爪神功襲擊的準備。

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——本文摘自《真的假的!奇怪知識又增加了:自說自話的總裁顛覆認知的科學奇想》,2023 年 7 月,好出版,未經同意請勿轉載。

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晴好出版_96
3 篇文章 ・ 2 位粉絲
晴方好,雨亦奇,換個角度都是「晴好」