人類首次熱氣球飛行｜科學史上的今天：11/21

本文與 Panasonic 合作，泛科學撰文 

●以下科學研究內容作為知識分享，不直接與Panasonic A La Uno全自動洗淨馬桶產品功能連結

在做家務的痛苦排行榜上，「刷馬桶」絕對名列前茅。明明天天都在沖水，但過不了幾天，馬桶內壁邊角總會浮現黃黃的水垢、角落發黑的霉斑，甚至是那些刷掉又長出來的粉紅色污垢（黏質沙雷氏菌）。

許多市售衛浴設備常標榜「神奇抗污」或「永久不沾」，讓人誤以為安裝後便能永保潔淨。然而從材料科學的角度來看，世上並無能使污垢憑空消失的魔法。所謂「耐污」的實質機制，並非打造完全不沾染髒污的材質，而是調整表面的物理與化學屬性，使水垢和微生物難以強力附著。一旦降低了污垢與內壁之間的附著力，透過日常水流沖刷，便能輕易地將髒污帶走。

為什麼污垢「黏不住」？ 

要搞懂為什麼某些特殊表面能做到「耐污」，我們得先像偵探一樣，拆解馬桶裡的髒污究竟是怎麼「抓緊」材料表面的。馬桶內壁的污垢主要有兩大難纏的元兇：

1. 水垢與礦物沉積*1：我們日常使用的自來水中含有鈣、鎂等金屬離子。當水滴在表面經歷反覆的濕潤與蒸發乾燥循環時，這些離子會逐漸結晶析出，變成硬度極高、緊緊「卡」在微觀縫隙裡的礦物質水垢。
2. 生物膜與有機物*2：包含尿液中的無機鹽、油脂殘留，以及細菌入侵後分泌出像超強膠水一般的聚合物，所組成的黏滑防禦大本營。

這兩大類污垢想要在材料上「落腳」，前提是它們必須能在表面找到足夠的附著點與黏合力。那麼，材料科學家是如何讓這些髒污「站不穩」的呢？答案就藏在「表面能（Surface Energy）」與「濕潤性（Wettability）」這兩個核心概念中。

當我們把水滴在某個表面上時，水滴會聚成一顆圓滾滾的水珠，還是迅速攤平開來？這取決於表面的特性：

• 疏水路線（Hydrophobic）*1：具備低表面能的疏水表面，能顯著減少水分子或污染物與表面之間的極性作用力與氫鍵。水滴在這種表面上會因為表面張力而收縮成水珠，當水珠滾動滑落時，就能順便把表面的灰塵與礦物質顆粒帶走，這就是著名的「自清潔效應」。
• 親水路線（Hydrophilic / Superhydrophilic）*2：相反地，極度親水的超親水表面則會強烈地吸引水分子，在材料最外層形成一層薄薄的「水化層（Hydration Layer）」。這層水化層就像是實體的液體盾牌，讓油污、蛋白質或細菌無法直接接觸到材料基底，只能漂浮在水膜上方。

如果要用攀岩來比喻：傳統粗糙的表面就像是有許多凹槽的攀岩牆，髒污就像攀岩者，需要找到落腳點並用力撐住才能攀附；而我們做的是抽掉把手點，或是在把手上塗上潤滑油，讓髒污找不到施力點，自然難以停留。

不給細菌「握手」的機會

解決了水垢，下一個更棘手的對手是「細菌」。

馬桶內壁那些黑黑粉粉、摸起來滑滑的污垢，在微生物學中被稱為「生物膜（Biofilm）」。細菌並不是孤立生長的，當單顆細菌落在表面後，如果覺得環境舒適，它就會開始分泌胞外聚合物（EPS），這是一種天然的超強膠水。細菌們用這種膠水把自己與同伴緊緊黏在一起，並築起堅固的防禦堡壘，這時一般的沖水就很難把它們沖洗乾淨了。

根據《Nature Communications》與《Microsystems & Nanoengineering》的學術期刊研究指出，要阻止生物膜形成，除了化學上的抗菌，材料的「表面微幾何結構」扮演了至關重要的角色。

材料科學領域中有一個著名的「附著點理論（Attachment Point Theory）」：

1. 粗糙與微孔洞表面：如果材料表面存在許多微小的裂縫、氣孔或微米級凹洞，細菌（體積通常約 1 到 3 微米）就會興高采烈地鑽進這些小凹槽裡。這些凹槽不僅提供了極佳的機械咬合支點，還能幫細菌擋掉水流的沖刷。
2. 極致平滑與微結構表面：相反地，如果材料表面做到極致平滑，完全沒有微米級的缺陷；或者反過來設計出尺寸遠小於細菌的奈米結構，細菌的足跡構造（如鞭毛或纖毛）就無法在表面找到穩固的「接觸附著點（Contact Points）」。

當細菌發現自己在這個表面上連「手都握不緊」、隨時會被水流吹走時，它就無法順利定殖並分泌膠水築巢。此外，現代衛浴結構在設計時，也越來越強調「一體成形」與「無接縫工藝」。消除接縫與死角，等於直接拔除了細菌與水垢最喜歡的避風港。

當材料、結構與流體科技組隊聯防 

了解了材料化學與微觀幾何，我們就能勾勒出一座現代耐污馬桶的完整防禦體系：【材料層（低附著力）】+【結構層（無縫平滑）】+【動態流體層（泡沫與水流剪切力）】= 高效清潔！

以市面上備受矚目的 Panasonic A La Uno 全自動洗淨馬桶為例，就是將材料科學、結構工程與流體力學發揮到極致的典型代表：

1. 材料層：有機玻璃系新素材

A La Uno 全自動洗淨馬桶採新開發的「有機玻璃系新素材」（以壓克力高分子為基礎研發的衛浴專用材料，這類高分子成形技術亦被廣泛運用於大型水族館高壓觀景窗與飛機機艙罩）。這種材料表面具備極佳的疏水性與耐水垢特性，水滴不易長時間攤平停留；材質堅固、不易破裂，耐刮、不易造成細小傷痕。通過實驗測試，這種素材配合泡沫洗淨，在沖洗後能有效沖刷掉高達 99.99% 的大腸桿菌，從源頭阻斷細菌定殖。

2. 結構層：無接縫工藝與三重防濺防護

在宏觀結構上，A La Uno 全自動洗淨馬桶採用無水箱沖水與便器、溫水洗淨便座一體成型設計，減少傳統水箱與座體之間的結構層次及接縫，並搭配可動迴轉式排水系統完成沖洗。更貼心的是其「三重防護」設計：

• 泡沫防護：在水面上製造一層充沛的泡沫緩衝層，有效抑制男性站立小便時的尿液與污水飛濺；
• 外圍防護：馬桶邊界特別設計了高約 3mm 的水檔，防止液體延著外壁滴落至地板；
• 測漏防護：便座與馬桶本體採用不外露的防護設計，避免液體從縫隙飛濺滲漏。

3. 動態流體層：雙效泡沫洗淨、漩渦水流與 nanoe™ X

當污垢降落在馬桶內壁時，A La Uno全自動洗淨馬桶 的動態流體科技便接手進行徹底打掃。其「雙效泡沫洗淨」會先釋放直徑約 5mm 的「毫米泡沫」包裹並帶走大塊髒污，再透過直徑約 60微米的「微米泡沫」深入微觀縫隙，徹底溶解殘餘的油脂與細微污垢。接著，配合高度清潔力的「漩渦型強力水流」，利用旋轉產生的流體剪切力，一口氣將附著力已被削弱的污垢剝離並沖走。此外，Panasonic A La Uno 全自動洗淨馬桶還搭襯了 nanoe™ X 健康科技，釋放氫氧離子有效抑制異味與髒污，維持空氣與內壁的良好衛生狀態。

科技讓生活變輕鬆，但物理法則依然誠實

從材料化學的低表面能設計，到微觀幾何的附著點控制，再到流體力學的水流沖刷，一座現代抗污馬桶的演進，縮影了人類如何運用基礎科學來解決日常生活痛點的智慧。

我們習慣將衛生清潔想像成一場與細菌髒污的硬碰硬死鬥。然而，A La Uno全自動洗淨馬桶 等現代衛浴技術的突破，展示了材料科學的另一種聰明思維：不靠強酸強鹼硬打，而是透過物理與化學邏輯，將「污垢固著」的機率降到最低。

當材料科學與現代衛浴技術結合，刷馬桶不再是一件令人頭痛的辛苦瑣事。透過這些前沿科技的加持，我們得以從繁重的家務勞動中解放，享受更加乾淨、舒適且有品質的日常生活。

*1 參考論文：A metallic anti-biofouling surface with a hierarchical topography containing nanostructures on curved micro-riblets

*2 參考論文：Brushing up functional materials

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。

疫情解封半年了，你出過國了嗎？

當你開始自己安排行程，為了能留更多預算吃美食、買紀念品，我們往往會貨比三家，盡可能找到更加實惠的機票。但找著找著總是會發現，欸！奇怪，怎麼需要轉機的航程，總是比直達班機便宜上許多！？

明明航程更長，為什麼票價卻變便宜了呢？

機票價格是怎麼定的？

綜觀整個大眾運輸市場，陸上交通工具如高鐵、火車、客運的票價，不論是連假還是平日，其實都不會相差太多。然而飛機卻完全不一樣，即使是在旅遊淡季，價格仍然會以分鐘為單位上下波動，要搶到一張經濟實惠的機票，全憑本事了！

航空公司的訂價策略是票價快速浮動的主因之一，即使是同一班機，每個座位的定價會有所不同，距離起飛的剩餘時間、班機上的空位情況也都會影響價格。除了市場的供需外，國際油價、人力成本也都是影響成本的因素。

航空公司在計算完各項成本之後，首要任務就是決定要開哪些航線，以及在這些航線上配置多少班次的飛機，才能最大化運輸旅客並且避免浪費太多空位。

為什麼轉機比較便宜？

其實載人跟載貨的情形很像，如果你把自己想像成貨物，航空公司換成貨運公司，就很好理解了。當我們網購下單東西時，貨運公司並非從店家直接派一台貨運車送貨到府，而是先集中到物流中心，接著發到各縣市較小的營業所，最後才由司機個別配送。

從點對點運輸改為集中後再處理，雖然單一貨物需要移動的距離變長了，但物流路線的複雜度卻簡化了許多；以貨運公司的角度來看，在相同的人力下，每天能配送的貨物量也就增加了。

這種物流重新分配方式稱為軸輻網路或是樞紐網路（hub-and-spoke network），在剛才的例子中，整個網路如同車輪的輻條般輻射展開，而物流中心就是中心的樞紐 hub。

把相同的概念放到航運中，這些關鍵的樞紐就稱為樞紐機場，長途航線通常會經過樞紐機場並在此轉機，繼續前往目的地。至於要選擇哪個機場是樞紐機場，除了考量機場的吞吐量外，當然也考量到航空公司本身的所在位置。例如國內的華航、長榮、星宇航空等，樞紐機場就都在桃園國際機場，而大家飛歐洲線常搭的阿聯酋航空，樞紐機場就在杜拜國際機場，這也是為什麼我們通常都得在杜拜轉機。

在 hub-and-spoke 的架構下，航空公司可以放心把總部設在樞紐機場，不僅能高度掌握每條航線，人力成本分配也可以更簡化。

航線上的交通規則

此時此刻，全球正在飛行的飛機數量，大概有 8000～20000 架次，這數量可不少，必須有妥善的管制系統。天空其實和汽車的高速公路、火車的鐵軌一樣，飛機也需要照著明確規劃好的空中航線及高度飛行，並且遵循飛航管制。

撇開因為機械故障導致的空難，因人為失誤導致飛機在空中「相撞」，在歷史上確實發生過幾次。

例如 1986 年，墨西哥國際航空 498 號班機與私人小型飛機在洛杉磯國際機場上空發生擦撞，雙雙墜毀。事後調查，肇事的原因是由於實習航管員分心，忽略了雷達中出現的小型飛機訊號，未能提醒兩架班機迴避，因此發生憾事。在這之後，美國聯邦航空局強制所有境內的飛機，都要安裝空中防撞系統，避免憾事再次發生。

時至今日，除了在飛機上安裝防撞系統外，航空管制多次調整，訂出垂直隔離、前後隔離、左右隔離等規範。

以垂直隔離為例，依照高度將航道分為了好幾「層」；除非遇到亂流、機械故障等緊急狀況，否則飛機應保持在特定的飛航空層（Flight Level , FL）中飛行，如：FL290 就是該飛機在高度 2 萬 9 千英尺飛行。隨著大氣數據計算機、高度計以及自動駕駛系統的發展，現在兩個飛航空層的垂直間隔為 1000 英尺；因此在一般民航機巡航高度的 FL290 到 FL410 之間，共可以切割出 13 個空層供飛機飛行。

另外，萬一真的不幸發生意外，飛機要能找到地方緊急迫降，此時要考慮的便是延程飛行時間 （Extended Operation），也就是當意外發生時，迫降到最近機場的時間。通常航線規劃時會要求航線中的任一點，要能在 60～180 分鐘內飛到最近的機場，因此航線的規劃就不能偏離陸地太遠。

為了能橫跨大洋，選擇不同的機型、飛機本身噴射發動機數量的不同，延程飛行時間也可以跟著拉長。例如較新的波音 777 中許多型號，便通過了 ETOPS-330 的認證，代表延程飛行的容許時間長達 330 分鐘 。

飛機怎麼飛快又省油？

這一條條的空中公路，又該怎麼規劃，才能又快又省油呢？我們可以直接看看實際運行中的航線。然後就會發現：飛機竟然不飛直線，而是繞了個大弧線！你以為是繞了遠路嗎？恰恰相反，這是最短距離！

我們來思考一下，要如何在地球上劃出兩點間的最短距離？只要把地球像是西瓜一樣一刀切下，這一刀不僅要同時經過目標兩點，還要通過球心，剛好把地球切成對半。這條弧線就是兩點的最短距離，又稱為大圓弧線。使用此路線飛行的航線，則稱為大圓航線。

除了大圓航線外，風速當然也是需要考量的重要因素。在地球中緯度的高空上，有條長年從西吹向東的西風帶，如果乘上這些風帶由西向東飛，不僅比較快也較省油；反過來由東向西逆風飛行，所需時間就會較久。以及在各緯度都有可能出現、風速可達時速 200 到 300 公里的噴射氣流，飛行時，若利用這些風帶的效益比大圓航線還要高的話，既可以省油、省時又省錢。

如果還想要繼續深入機票的定價策略，就會發現裡面複雜的程度就像是氣象預報一樣。

例如為了讓每個座位不被浪費，航空公司出售機票的數量可能比實際的座位數量還要多，也就是所謂的機位超賣，至於要超賣多少張機票，則要綜合考量該班次遊客的性質通常是商業或是旅遊目的居多，並且計算旅客放棄的機率以及賠償成本等等。當旅遊旺季時，還要考量到機場航班過多，機場跑道的起降還要排隊造成的擁擠延誤成本等等。

如果可以簡單誰想要複雜呢？因此也有航空公司推出低成本航空，也就是我們常說的廉航。它們會選擇反其道而行，減少大型機場使用，並以短、中航程為主，策略又完全不一樣。

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