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讓水滴能漂浮在水面上?你也能試試看的漂浮液滴魔法!

valerie hung
・2017/11/23 ・1543字 ・閱讀時間約 3 分鐘 ・SR值 533 ・七年級
相關標籤: 非黏合 (1)

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你曾在某次把冰牛奶倒入熱咖啡或熱紅茶,發現漂浮在水面上,莫名不肯溶為一體的小水珠嗎?這種自然現象名為「非黏合(noncoalescence)」,也能在下雨的池塘、浪花拍打的海面與你家浴缸裡觀察到。

你曾注意過冰奶油球滴入熱咖啡時,會有片刻漂浮在咖啡表面上嗎(圖片來源:MIT 研究團隊)

過去科學界已發現溫度差、黏度(viscosity)、表面張力、液滴落下的高度、靜電荷與液滴的大小等,都會影響漂浮液滴的形成與持續時間。但由麻省理工學院(MIT)機械工程博士生米琪拉.傑瑞(Michela Geri)領導的團隊不但找到漂浮液滴發生的關鍵因素,還發現了如何操控過程的方法,讀完後快來跟泛科學編輯群一起玩玩看吧!(v編和y編已經試過了!還一起喝了咖啡!)

圖片來源:How to levitate a droplet on a liquid surface

根據 MIT 團隊發表在 2017 年第 833 期的《流體力學研究期刊》(Journal of Fluid Mechanics)的研究結果,簡單來說,如果落下的液滴溫度夠冰,而被滴入的液體夠熱,則這其中的溫度差就可能創造出暫時漂浮在液體上的液滴。

這個研究的開端,源自 MIT 數學系應用數學教授約翰.布希(John Bush)在博士班課程「界面現象(interfacial phenomena)」向學生提問:「為什麼溫度差對水液滴黏合有影響?」,正好選修了這堂課的傑瑞決定接下挑戰。

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首先為了進行實驗,傑瑞打造一個約 Espresso 咖啡杯大小,四面為壓克力、底為金屬的小方盒。這個小盒子裝著矽油(silicone oil)並放置在冷熱板測試儀( hot/cold plate)上,更上方有一個注射器,用來滴入與方盒中相同黏度的矽油。

傑瑞除了透過冷熱板測試儀調整溫度,逐一測量滴下的油滴溫度與盒子內矽油表面的溫度外,也研究不同黏度矽油的影響(從稀如清水到水的 500 倍濃稠度)。她同時運用高速攝影機,以每秒 2000 幀的速度記錄矽油從滴下到徹底溶入盒中矽油的過程。

結果,當液滴與液體的溫度差異越大,越容易形成非黏合現象。當兩者的溫度相差達攝氏 30 度時,傑瑞能讓液滴維持至少十秒的非黏合現象。她進一步發現了讓液滴形成的最小溫度差,以及雙方起始的溫度差如何影響漂浮液滴維持的時間。

溫度差創造的神奇空氣魔毯!

研究團隊特別透過數學公式,解析液滴與液體之間的空氣在現象中扮演著什麼樣的角色。他們發現,液滴與液體的溫度差,會對夾雜在兩者中間的空氣層產生影響,進而防止液滴被液體接觸與吸收。

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原來,溫度差導致空氣層產生對流循環。當起始溫差越大,空氣流動也會變強,當氣流循環產生的力道強到足以支撐液滴的重量,就成了讓液滴漂浮的神奇魔毯啦!

同時溫度差也讓液滴內部產生一股吸收液體熱能的流動,所以隨著時間過去,液滴的溫度會越來越接近液體,當兩者的溫度差異逐漸消弭,液滴最終就「咚」地落入液體之中。

本研究成果不但可以應用在醫藥用及美妝用的乳狀液研究,也能幫助工程師改良微流體晶片(microfluidic chip)的設計,例如讓晶片內帶著特定成分的液滴,在抵達特定的區域,達到某個特定的溫度時,才會進行溶合。

「根據我們(建構的數學模型)理論,工程界能找到保持兩顆液滴互不溶合的溫度差,以及如果用這些液滴建造出的軸承,其所維持的最大重量為何。」傑瑞指出

而研究共同作者之一布希也表示,既然液滴從懸浮狀態到溶入液體的秘密被解開了,未來科學家就有機會進一步根據溫度的變化,了解雨滴或海水是如何透過液滴傳播與混合特定的化學與生物介質。

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原始論文:

  • Michela Geri, Bavand Keshavarz, Gareth H. McKinley and John W. M. Bush. Thermal delay of drop coalescence, Journal of Fluid Mechanics. https://doi.org/10.1017/jfm.2017.686 Published online: 08 November 2017

參考資料:

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valerie hung
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興趣多多,書籍雜食者,喜歡問為什麼,偶爾也愛動手嘗試。

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快!還要更快!讓國家級地震警報更好用的「都會區強震預警精進計畫」
鳥苷三磷酸 (PanSci Promo)_96
・2024/01/21 ・2584字 ・閱讀時間約 5 分鐘

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本文由 交通部中央氣象署 委託,泛科學企劃執行。

  • 文/陳儀珈

從地震儀感應到地震的震動,到我們的手機響起國家級警報,大約需要多少時間?

臺灣從 1991 年開始大量增建地震測站;1999 年臺灣爆發了 921 大地震,當時的地震速報系統約在震後 102 秒完成地震定位;2014 年正式對公眾推播強震即時警報;到了 2020 年 4 月,隨著技術不斷革新,當時交通部中央氣象局地震測報中心(以下簡稱為地震中心)僅需 10 秒,就可以發出地震預警訊息!

然而,地震中心並未因此而自滿,而是持續擴建地震觀測網,開發新技術。近年來,地震中心執行前瞻基礎建設 2.0「都會區強震預警精進計畫」,預計讓臺灣的地震預警系統邁入下一個新紀元!

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連上網路吧!用建設與技術,換取獲得地震資料的時間

「都會區強震預警精進計畫」起源於「民生公共物聯網數據應用及產業開展計畫」,該計畫致力於跨部會、跨單位合作,由 11 個執行單位共同策畫,致力於優化我國環境與防災治理,並建置資料開放平台。

看到這裡,或許你還沒反應過來地震預警系統跟物聯網(Internet of Things,IoT)有什麼關係,嘿嘿,那可大有關係啦!

當我們將各種實體物品透過網路連結起來,建立彼此與裝置的通訊後,成為了所謂的物聯網。在我國的地震預警系統中,即是透過將地震儀的資料即時傳輸到聯網系統,並進行運算,實現了對地震活動的即時監測和預警。

地震中心在臺灣架設了 700 多個強震監測站,但能夠和地震中心即時連線的,只有其中 500 個,藉由這項計畫,地震中心將致力增加可連線的強震監測站數量,並優化原有強震監測站的聯網品質。

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在地震中心的評估中,可以連線的強震監測站大約可在 113 年時,從原有的 500 個增加至 600 個,並且更新現有監測站的軟體與硬體設備,藉此提升地震預警系統的效能。

由此可知,倘若地震儀沒有了聯網的功能,我們也形同完全失去了地震預警系統的一切。

把地震儀放到井下後,有什麼好處?

除了加強地震儀的聯網功能外,把地震儀「放到地下」,也是提升地震預警系統效能的關鍵做法。

為什麼要把地震儀放到地底下?用日常生活來比喻的話,就像是買屋子時,要選擇鬧中取靜的社區,才不會讓吵雜的環境影響自己在房間聆聽優美的音樂;看星星時,要選擇光害比較不嚴重的山區,才能看清楚一閃又一閃的美麗星空。

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地表有太多、太多的環境雜訊了,因此當地震儀被安裝在地表時,想要從混亂的「噪音」之中找出關鍵的地震波,就像是在搖滾演唱會裡聽電話一樣困難,無論是電腦或研究人員,都需要花費比較多的時間,才能判讀來自地震的波形。

這些環境雜訊都是從哪裡來的?基本上,只要是你想得到的人為震動,對地震儀來說,都有可能是「噪音」!

當地震儀靠近工地或馬路時,一輛輛大卡車框啷、框啷地經過測站,是噪音;大稻埕夏日節放起絢麗的煙火,隨著煙花在天空上一個一個的炸開,也是噪音;台北捷運行經軌道的摩擦與震動,那也是噪音;有好奇的路人經過測站,推了推踢了下測站時,那也是不可忽視的噪音。

因此,井下地震儀(Borehole seismometer)的主要目的,就是盡量讓地震儀「遠離塵囂」,記錄到更清楚、雜訊更少的地震波!​無論是微震、強震,還是來自遠方的地震,井下地震儀都能提供遠比地表地震儀更高品質的訊號。

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地震中心於 2008 年展開建置井下地震儀觀測站的行動,根據不同測站底下的地質條件,​將井下地震儀放置在深達 30~500 公尺的乾井深處。​除了地震儀外,站房內也會備有資料收錄器、網路傳輸設備、不斷電設備與電池,讓測站可以儲存、傳送資料。

既然井下地震儀這麼強大,為什麼無法大規模建造測站呢?簡單來說,這一切可以歸咎於技術和成本問題。

安裝井下地震儀需要鑽井,然而鑽井的深度、難度均會提高時間、技術與金錢成本,因此,即使井下地震儀的訊號再好,若非有國家建設計畫的支援,也難以大量建置。

人口聚集,震災好嚴重?建立「客製化」的地震預警系統!

臺灣人口主要聚集於西半部,然而此區的震源深度較淺,再加上密集的人口與建築,容易造成相當重大的災害。

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許多都會區的建築老舊且密集,當屋齡超過 50 歲時,它很有可能是在沒有耐震規範的背景下建造而成的的,若是超過 25 年左右的房屋,也有可能不符合最新的耐震規範,並未具備現今標準下足夠的耐震能力。 

延伸閱讀:

在地震界有句名言「地震不會殺人,但建築物會」,因此,若建築物的結構不符合地震規範,地震發生時,在同一面積下越密集的老屋,有可能造成越多的傷亡。

因此,對於發生在都會區的直下型地震,預警時間的要求更高,需求也更迫切。

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地震中心著手於人口密集之都會區開發「客製化」的強震預警系統,目標針對都會區直下型淺層地震,可以在「震後 7 秒內」發布地震警報,將地震預警盲區縮小為 25 公里。

111 年起,地震中心已先後完成大臺北地區、桃園市客製化作業模組,並開始上線測試,當前正致力於臺南市的模組,未來的目標為高雄市與臺中市。

永不停歇的防災宣導行動、地震預警技術研發

地震預警系統僅能在地震來臨時警示民眾避難,無法主動保護民眾的生命安全,若人民沒有搭配正確的防震防災觀念,即使地震警報再快,也無法達到有效的防災效果。

因此除了不斷革新地震預警系統的技術,地震中心也積極投入於地震的宣導活動和教育管道,經營 Facebook 粉絲專頁「報地震 – 中央氣象署」、跨部會舉辦《地震島大冒險》特展、《震守家園 — 民生公共物聯網主題展》,讓民眾了解正確的避難行為與應變作為,充分發揮地震警報的效果。

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此外,雖然地震中心預計於 114 年將都會區的預警費時縮減為 7 秒,研發新技術的腳步不會停止;未來,他們將應用 AI 技術,持續強化地震預警系統的效能,降低地震對臺灣人民的威脅程度,保障你我生命財產安全。

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