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科學寶可夢2 #157 火爆獸:千萬別摸牠

Rock Sun
・2017/12/27 ・3063字 ・閱讀時間約 6 分鐘 ・SR值 517 ・六年級

身為一名訓練師,你真的了解你的寶貝們嗎?寶可夢圖鑑讀熟了沒?

其實圖鑑告訴你的比想像中的還多喔!每個星期周末跟著 R 編一起來上一門訓練師的科學課吧!來跟大家分析這些寶可夢們是如何使用科學力來戰鬥的。

在Y編的百般詢問之下(其實是我自我放逐~~~),R編決定來繼續「科學寶可夢」這個專題。(y編按:已經富奸太久了!!!!!!)儘管寶可夢有點退燒了,但這充滿空想、奇幻又可以用科學來驗證、討論的世界,對我們科學青年科宅根本是個遊樂場~ 不是嗎?

第二世代打頭陣的熱學謎團  #157 火爆獸

像最一開始一樣,我們先從某隻御三家開始說起。而由於菊草葉-月桂葉-大竺葵的介紹幾乎都是曬太陽、有香味、跟大自然互動等有關,老實說……感覺超無害的。然後當我看到火球鼠的最終進化型火爆獸時,整個反差就出來了。

「當牠生氣的時候,體溫會上升,任何碰到的東西都會立刻燒起來。」—金、紅寶石、藍寶石、葉綠、綠寶石、心金、X

「牠有一個大絕招……用力摩擦自己的毛產生爆炸。」–銀、火紅、魂銀、Y

這一看就知道不得了!![注1]

這裡有兩個現象需要驗證,一個就是火爆獸的身體能夠產生夠誇張的高溫,高到能夠讓牠碰到的東西立刻燒起來;二來是能藉由摩擦毛皮讓氣體膨脹,進而產生爆炸。

雖然前者沒有詳細講產生高溫的方法,後者沒有說磨擦和爆炸之間是什麼關係[注2],但我們可以試著綜合一下這些現象之間的物理學~~

岩漿跟這次的重點一點關係都沒有,但很帥嘛~(圖/arkeis-pokemon – DeviantArt)

摩擦生熱~~聽起來很簡單嘛~

「生熱」的方式很多種,例如化學反應、吸收輻射、物理運動時正常的能量釋放……等,都會放出熱量,當然只要夠熱、能達到燃料的燃點並有氧氣,就可以生火,但再開放其他選項給火爆鼠之前,就先來研究一下它圖鑑中有指名道姓的摩擦生熱。

任何物體~我再重複一次~~任何物體 的表面都不是完全光滑的,就算是冰塊也一樣。微觀上,當你把兩個物體表面彼此接觸時,兩邊的分子、原子會開始吸引對方,產生一種暫時的鍵結,每當你摩擦、移動的時候這些鍵結就會被打斷,消耗你的一些力氣,但同時為了保持能量守恆,這些能量就會化為熱量釋放出來。

在日常生活中你對摩擦生熱一定也不陌生,在這篇文章出現的季節你可能不時會搓幾下手,只為了求得那短短一瞬間的溫暖,但從來沒聽說過有人因此而灼傷,或是手就然燒起來的[注3],事實上,光是雙手合十用力搓個幾分鐘就相當累了,而這裡卻有一個傢伙不只能讓自己覺得好溫暖、還能讓任何東西燒起來。

「friction fire」的圖片搜尋結果
摩擦生熱。你夠厲害的話燒起來是可能的。

而要計算摩擦生熱的過程其實相當複雜,一言以闢之,它的公式長這樣。

簡單的說,這個公式就是計算每一分一寸火爆獸移動的毛都會產生一點熱量,然後沿著身形把這些熱都加起來,這個時候真的很希望真的有一隻現實存在的火爆獸能夠給我們測量表面積、毛皮密度和毛皮組成了[注4],但在自己估算這些東西真的有困難的情況下,只好先從簡、從讓一個物體燃燒的最低要求開始討論起。

可能是全世界最摸不得的寵物

燃燒有三要素:氧氣、燃料、溫度,其中氧氣無所不在,而且毛髮空隙中一定很多氧氣,所以這個條件就是為已經達成好了。至於要滿足剩下兩個條件,火爆獸有兩條路可以走,一是單純的把自己的身體加熱到滿足物體的自燃點;二是身體先產生火花,在燃燒任何碰到的東西。

自燃點指的是常壓下,只要外部沒有火花、火焰等火源點燃時,一個物體會自己燃燒的最低溫度。用這個方法最大的難題就是這需要火爆獸自己產生難以置信的高溫[注5],例如乾燥的木頭自燃點介於 300~400℃、煤的自燃點有 700℃、而有機氣體如烷烯炔則有高有低,高如甲烷有 537℃而庚烷則只有 215℃。

所以要讓所有找的到的燃料自燃燒起來的話,火爆獸大概也要加溫到 800℃以上,但要靠摩擦產生這樣的高溫,火爆鼠的毛皮應該要像橡皮那樣具有高摩擦係數,而且在短小的空間內以驚人的速度來回移動,就算如此還不一定能有這種溫度呢~

而且如果還要滿足「碰到任何東西都會立刻燒起來」……這怎麼可能……

所以你真的很棒~(圖/GIPHY)

燃燒、爆炸一次搞定的好方法

不過火爆獸也可以不需要這麼拼命的摩擦生熱,因為靠第二種方法,生理上或許可以容易一點,也可以達到圖鑑的第二條敘述,就是他自己可以先產生火花。

我們現實生活中就有個靠摩擦生熱而且起火相當輕鬆的實例,就是火柴。

火柴頭是由一些相當易燃的物質製成的,例如氯酸鉀和硫磺,而用來摩擦的盒子表面是由紅磷、玻璃粉等物質組成的,當你不快也不慢一抹,火柴與磷皮接觸面可以達到大概200~300℃之間,這時候火柴就會燃燒。

而且現在的火柴這樣設計已經是因為安全目的了,如果不要命一點的話還可以改成其他物質,例如白磷,只要今天稍微熱一點……火爆獸就能自動燒起來喔~ 但如果繼續使用紅磷的話,只要火爆獸的毛有這些成分並能夠彼此摩擦就好了,而且剛剛好火球鼠一脈背上都有奇怪的紅色毛皮,難不成那些是產生爆炸的關鍵嗎?

爆炸,可以從物理和化學的方法來解決,其中化學比較直觀一些:其實只要火爆獸的毛有部分是火藥組成,然後他身上有能力產生火花,產生爆炸就不難了,不過前提是牠自己能撐過去[注6]。

稍微目測一下,那些斑點差不多是0.02平方公尺的圓形,大概有4塊這樣的毛皮,假設他們厚2公分,然後它們100%都是火藥構成的(反正只要有一點火花就好了,乾脆點),這樣差不多是00016立方公尺的火藥。

如果牠每一次一點火,這麼多的火藥就爆炸,會有多少威力呢?

想必那個梳子來歷應該也不小…..(圖/GIPHY)

TNT的密度是1.654 g/cm³,經過計算之後,這幾塊毛差不多能提供大概約2.5公斤的炸藥,每一公斤的TNT能釋放400萬焦耳的能量,2.5公斤分量的話,這威力足以炸掉2台小轎車。

所以這下子組成火爆鼠的完美元素們都達成了,在博士和訓練師高興之餘,要記得不要在他生氣的時候用抱抱安撫他喔~ 要不然小心身首異處…..

編注:

  1. 從火球鼠開始,這三隻寶可夢的介紹都是清一色的「生氣會捲起來」、「從背上噴火保護自己」、「越生氣火焰越強」、「會背對對手,用火焰攻擊」,老實說感覺好像都是同一個人寫的,火爆獸是唯一個相關描述比較明確的了。
  2. 單純的看「摩擦」和「爆炸」彼此真的沒有絕對的關係,像車子開久了,輪胎和馬路磨擦磨久了也不會爆炸,但如果考慮到溫度、壓力等就有可能,但單純字面上真的一點關聯都沒有。
  3. R編抱著好奇的心情搜尋了:「用手摩擦生熱世界紀錄」,還真的找到一位美國人,在2010年留下紀錄,靠著磨擦手增加6℃…..雖然我不知道花了多久,但感覺很真的很偉大啊 ~
  4. 這裡我原本想加上對火爆獸毛皮的推測,用物質之間摩擦係數的高低來判斷他的毛皮是用什麼做的。但發現線索真的不多,而且摩擦係數高的物質看起來都不向是生物身上長得出來的東西,所以就算了。
  5. 在跟之前火伊布、鴨嘴火龍、噴火龍相比,800℃真的是小菜一疊,所以我也不知道我在擔心什麼~延伸閱讀:科學寶可夢 #126、136 火伊布、鴨嘴火龍:燙也該有個限度
  6. 如果不顧人命和自身安危的話,可以使用白磷,自燃點只比30℃高一點,所以很容易就產生高溫,而且物質本身具有毒性,作為軍事武器很危險,所以國際已禁用,如果火爆獸真的用白磷的話,可能屬性還要多一個毒屬性。

資料來源:

  1. Engineer Toolbox
  2. Discovery: Mythbuster
  3. How Stuff Works
  4. Scientific pokedex
文章難易度
Rock Sun
63 篇文章 ・ 619 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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用這劑補好新冠預防保護力!防疫新解方:長效型單株抗體適用於「免疫低下族群預防」及「高風險族群輕症治療」
鳥苷三磷酸 (PanSci Promo)_96
・2023/01/19 ・2874字 ・閱讀時間約 5 分鐘

本文由 台灣感染症醫學會 合作,泛科學企劃執行。

  • 審稿醫生/ 台灣感染症醫學會理事長 王復德

「好想飛出國~」這句話在長達近 3 年的「鎖國」後終於實現,然而隨著各國陸續解封、確診消息頻傳,讓民眾再度興起可能染疫的恐慌,特別是一群本身自體免疫力就比正常人差的病友。

全球約有 2% 的免疫功能低下病友,包括血癌、接受化放療、器官移植、接受免疫抑制劑治療、HIV 及先天性免疫不全的患者…等,由於自身免疫問題,即便施打新冠疫苗,所產生的抗體和保護力仍比一般人低。即使施打疫苗,這群病人一旦確診,因免疫力低難清除病毒,重症與死亡風險較高,加護病房 (ICU) 使用率是 1.5 倍,死亡率則是 2 倍。

進一步來看,部分免疫低下病患因服用免疫抑制劑,使得免疫功能與疫苗保護力下降,這些藥物包括高劑量類固醇、特定免疫抑制之生物製劑,或器官移植後預防免疫排斥的藥物。國外臨床研究顯示,部分病友打完疫苗後的抗體生成情況遠低於常人,以器官移植病患來說,僅有31%能產生抗體反應。

疫苗保護力較一般人低,靠「被動免疫」補充抗新冠保護力

為什麼免疫低下族群打疫苗無法產生足夠的抗體?主因為疫苗抗體產生的機轉,是仰賴身體正常免疫功能、自行激化主動產生抗體,這即為「主動免疫」,一般民眾接種新冠疫苗即屬於此。相比之下,免疫低下病患因自身免疫功能不足,難以經由疫苗主動激化免疫功能來保護自身,因此可採「被動免疫」方式,藉由外界輔助直接投以免疫低下病患抗體,給予保護力。

外力介入能達到「被動免疫」的有長效型單株抗體,可改善免疫低下病患因原有治療而無法接種疫苗,或接種疫苗後保護力較差的困境,有效降低確診後的重症風險,保護力可持續長達 6 個月。另須注意,單株抗體不可取代疫苗接種,完成單株抗體注射後仍需維持其他防疫措施。

長效型單株抗體緊急授權予免疫低下患者使用 有望降低感染與重症風險

2022年歐盟、英、法、澳等多國緊急使用授權用於 COVID-19 免疫低下族群暴露前預防,台灣也在去年 9 月通過緊急授權,免疫低下患者專用的單株抗體,在接種疫苗以外多一層保護,能降低感染、重症與死亡風險。

從臨床數據來看,長效型單株抗體對免疫功能嚴重不足的族群,接種後六個月內可降低 83% 感染風險,效力與安全性已通過臨床試驗證實,證據也顯示針對台灣主流病毒株 BA.5 及 BA.2.75 具保護力。

六大類人可公費施打 醫界呼籲民眾積極防禦

台灣提供對 COVID-19 疫苗接種反應不佳之免疫功能低下者以降低其染疫風險,根據 2022 年 11 月疾管署公布的最新領用方案,符合施打的條件包含:

一、成人或 ≥ 12 歲且體重 ≥ 40 公斤,且;
二、六個月內無感染 SARS-CoV-2,且;
三、一周內與 SARS-CoV-2 感染者無已知的接觸史,且;
四、且符合下列條件任一者:

(一)曾在一年內接受實體器官或血液幹細胞移植
(二)接受實體器官或血液幹細胞移植後任何時間有急性排斥現象
(三)曾在一年內接受 CAR-T 治療或 B 細胞清除治療 (B cell depletion therapy)
(四)具有效重大傷病卡之嚴重先天性免疫不全病患
(五)具有效重大傷病卡之血液腫瘤病患(淋巴肉瘤、何杰金氏、淋巴及組織其他惡性瘤、白血病)
(六)感染HIV且最近一次 CD4 < 200 cells/mm3 者 。

符合上述條件之病友,可主動諮詢醫師。多數病友施打後沒有特別的不適感,少數病友會有些微噁心或疲倦感,為即時處理發生率極低的過敏性休克或輸注反應,需於輸注時持續監測並於輸注後於醫療單位觀察至少 1 小時。

目前藥品存放醫療院所部分如下,完整名單請見公費COVID-19複合式單株抗體領用方案

  • 北部

台大醫院(含台大癌症醫院)、台北榮總、三軍總醫院、振興醫院、馬偕醫院、萬芳醫院、雙和醫院、和信治癌醫院、亞東醫院、台北慈濟醫院、耕莘醫院、陽明交通大學附設醫院、林口長庚醫院、新竹馬偕醫院

  • 中部

         大千醫院、中國醫藥大學附設醫院、台中榮總、彰化基督教醫療財團法人彰化基督教醫院

  • 南部/東部

台大雲林醫院、成功大學附設醫院、奇美醫院、高雄長庚醫院、高雄榮總、義大醫院、高雄醫學大學附設醫院、花蓮慈濟

除了預防 也可用於治療確診者

長效型單株抗體不但可以增加免疫低下者的保護力,還可以用來治療「具重症風險因子且不需用氧」的輕症病患。根據臨床數據顯示,只要在出現症狀後的 5 天內投藥,可有效降低近七成 (67%) 的住院或死亡風險;如果是3天內投藥,則可大幅減少到近九成 (88%) 的住院或死亡風險,所以把握黃金時間盡早治療是關鍵。

  • 新冠治療藥物比較表:
藥名Evusheld
長效型單株抗體
Molnupiravir
莫納皮拉韋
Paxlovid
倍拉維
Remdesivir
瑞德西韋
作用原理結合至病毒的棘蛋白受體結合區域,抑制病毒進入人體細胞干擾病毒的基因序列,導致複製錯亂突變蛋白酵素抑制劑,阻斷病毒繁殖抑制病毒複製所需之酵素的活性,從而抑制病毒增生
治療方式單次肌肉注射(施打後留觀1小時)口服5天口服5天靜脈注射3天
適用對象發病5天內、具有重症風險因子、未使用氧氣之成人與兒童(12歲以上且體重至少40公斤)的輕症病患。發病5天內、具有重症風險因子、未使用氧氣之成人與兒童(12歲以上且體重至少40公斤)的輕症病患。發病5天內、具有重症風險因子、未使用氧氣之成人(18歲以上)的輕症病患。發病7天內、具有重症風險因子、未使用氧氣之成人與孩童(年齡大於28天且體重3公斤以上)的輕症病患。
*Remdesivir用於重症之適用條件和使用天數有所不同
注意事項病毒變異株藥物交互作用孕婦哺乳禁用輸注反應

免疫低下病友需有更多重的防疫保護,除了戴口罩、保持社交距離、勤洗手、減少到公共場所等非藥物性防護措施外,按時接種COVID-19疫苗,仍是最具效益之傳染病預防介入措施。若有符合施打長效型單株抗體資格的病患,應主動諮詢醫師,經醫師評估用藥效益與施打必要性。

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賽道上高溫與摩擦的平衡!賽車最重要的配件「剎車」——《黏黏滑滑》
晨星出版
・2023/01/06 ・3272字 ・閱讀時間約 6 分鐘

國民法官生存指南:用足夠的智識面對法庭裡的一切。

度影響剎車的抓力

雖然似乎有點違背直覺,但是煞車是高速駕駛不可或缺的一環。不管是在哪個賽車場,駕駛的目標之一就是保持在賽道的最佳路徑(racingline)—繞行賽道的最短路徑。所以駕駛過彎時不會沿著急轉彎處長長的外彎道前進,而是「夾著」彎道的內側,稱為彎頂點(apex,即過彎路線中最接近彎道內側的點)的地方,以將他們必須行駛的距離縮到最短。

這麼做需要非常精準的煞車:要在剛剛好的時間對煞車踏板施予剛剛好的壓力。當他們辦到時,駕駛就會出現在賽道轉彎處的絕佳位置,且依然帶有征服下一段賽程所需的速度。但是這樣的開車方式會耗損煞車;而且有些賽道沒什麼機會可以讓煞車冷卻。

以世界知名的摩納哥街賽道來說。雖然僅長3.34 公里(2 哩多),是F1 賽程中最短的賽道,但是卻必須不斷踩煞車和加速。煞車製造商布雷博(Brembo)指出,2019 年賽季中,駕駛們每一圈使用煞車 18.5 秒,多過總賽程的四分之一。

在需求最高的轉彎處,汽車要在不到 2.5 秒的時間內將時速從 297 公里(185 哩)減至 89 公里(55 哩);這會將大量動能快速轉換成熱能,難怪煞車碟盤會冒出火花。為了要負荷這樣龐大的熱負載,製造商在每個煞車碟盤的邊緣鑽入細小的徑向孔—數量超過 1000 個。

這樣的小孔可以增加煞車碟盤的表面積,比較容易散熱。但是也具有通氣孔的功能。與安裝在各個輪框上的大型冷卻管相結合時,可以把冷空氣拉入煞車碟盤中心,把熱空氣從邊緣帶走。還有個額外優點,這些F1 煞車碟盤相當輕,重量約各為1 公斤(2.2 磅),相較之下,差不多大小的鑄鐵煞車碟盤則為 15 公斤(33 磅) 。

所以為什麼不全面使用這種煞車碟盤呢?有個原因是價格—每片煞車碟盤可能要價高達 2000 美元(約 1500 英鎊) ,而且要六個月的時間才能製成。它們也不太耐久,通常每次比賽後就得更換。最後,它們受限於一定的工作溫度,只能處於 350 ∼ 1000℃。

低於溫度下限時,它們幾乎不具有停止能力—煞車片與煞車碟盤無法產生足夠的抓力。但是如果煞車的溫度高於上限值太久,則會災難性地失靈。如馬歇爾對我描述的,「彷彿在踩縫紉機。當這種狀況發生時,煞車碟盤耗盡『材料』的速度有多快,簡直難以置信。」

科技有助於車隊和駕駛控制他們的煞車,但是就跟 F1 的大部分狀況一樣,沒那麼簡單。冷卻管的大小與形狀可控制流經煞車碟盤的空氣量,所以你可以想像管子愈粗愈好。

但是如 F1 傳奇工程師帕特.西蒙茲(PatSymonds)告訴《賽車工程》(Racecar Engineering)雜誌的,冷卻有其後果:「遇到像蒙特羅這樣需要一直踩煞車的賽道,我們被迫使用一些該賽季最粗的管子。從最細的冷卻管換到最粗的冷卻管,會犧牲 1.5%的空氣動力學效率,這代表最高速度時速會減少 1 公里。」

我可以想像這會引發車隊的煞車工程師與他們的空氣動力學家爭辯。就連測量煞車配件的溫度都不容易。馬歇爾告訴我,在奧斯頓馬丁 F1 車隊中,他們會在煞車片的安裝托架中埋入高溫的熱電偶,和一系列直接朝向煞車碟盤的遠紅外線感測器。電視轉播賽事時偶爾會出現的彩色熱影像,主要是為了給我們這些觀眾看—顯示出他們建議的最高溫度。

剎車片的抓力在彎道時高速剎車時至關重要。圖/envatoelements

摩擦介面與溫度控制

煞車片與煞車碟盤之間還有另一個重要的過程是磨耗。所有滑動與摩擦都會對兩個表面造成實質傷害;每次煞車作動,兩者都會有微粒破裂。在煞車系統的使用期間,這會逐漸降低材料的摩擦係數—換句話說,會失去它們的抓力。

但這不只是因為彼此的表面被「磨光」,或是失去黏性。磨耗也會形成摩擦膜(tribofilm)這種東西—煞車片與煞車碟盤相接觸時壓碎的一層非常薄的細粒狀材料。「談到磨耗與摩擦力,摩擦膜非常有影響力,」英國里茲大學(University of Leeds)的沙赫里爾.柯沙利(Shahriar Kosarieh)說。

「我們把這層膜視為『第三體』,因為儘管它是由互相滑動的那兩種材料製成,其化學與機械性質還是與那兩種材料不同。」關注各式各樣市售鑄鐵煞車片的德國研究人員發現,無論煞車片是什麼材質,形成的摩擦膜總是會受到氧化鐵(Fe3O4)控制,其他成分的影響力則相當微弱。

「摩擦膜會控制散熱,且能減少摩擦力—它會主導性能,」柯沙利繼續說道。「煞車製造商很清楚這一點,調配自己的煞車片配方時會考量這一點。煞車片與煞車碟盤要互相搭配,才能產生最佳性能。只要你更動了任一個材料,就會改變界面產生的結果。」

柯沙利最近的研究關注鑄鐵煞車碟盤輕量替代物的摩擦表現,這些輕量煞車碟盤主要都是鋁製。不只有他這麼做—整個汽車產業都對減輕重量很執著,主要是因為汽車的重量愈輕,消耗的燃料就愈少,環境影響也愈少。目前是以鋁為主流。

「那是一種低密度金屬,約比灰鑄鐵(grey cast iron)還低 2.5 倍,所以減輕重量的可能性很高,」他跟我在電話中閒聊。「鋁的導熱性也很高,在表面形成的氧化物也具有一些防蝕效果。」把鋁合金與碳化矽等硬質陶瓷材料結合也能提升其強度。

「但是鋁的問題在於當溫度高於400℃時會開始熔化。就煞車而言,這代表摩擦力突然銳減,也是你能想像最糟的狀況。所以更加促使工程師更努力找出方法,既能讓表面有比較好的熱穩定性,使用壽命又能更持久。」

工程師致力於找出剎車在溫度與磨損上的平衡。圖/envatoelements

對柯沙利而言,最有意思的其中一種方法是電漿電解氧化(plasmaelectrolytic oxidation, PEO),這是用一個電場在鋁的表面形成一層複雜又高度耐磨的薄層。當他測試各種不同以電漿電解氧化處理過的鋁盤性能時,發現有些可以撐過約 550℃。不過,許多案例的摩擦係數太低—低於實際煞車系統所需的最低閾值。

柯沙利並不洩氣。「煞車是整個系統一起作動。如果你拿到一個新的煞車碟盤,那你也需要把對位碟盤調整到最佳狀態。製造商設計出專供電漿電解氧化塗層煞車碟盤使用的新煞車片配方。」我只找到幾篇已發表的研究,結合了電漿電解氧化煞車碟盤與這些新的摩擦片,但是結果看起來大有希望。輕量的鋁製煞車在未來的道路車輛上可能有機會亮相。

F1 在 1970 年代晚期為它們的煞車碟盤和煞車片找到了不同的解決方法,從那時候起就沿用至今:一種稱為碳-碳(carbon-carbon)的材料,在石墨基質裡包埋高度有序的碳纖維。其散熱效果非常好,所以也用在太空梭上。雖然它聽起來可能跟F1 賽車底盤用的碳纖維很類似,但其實是非常不一樣的猛獸。

製造碳-碳很緩慢且複雜,此材料是由原子薄層堆疊成層。它在摩擦力方面勝出,提供的抓力比傳統煞車配件高 2 倍(在其理想工作溫度範圍內)。但是那並非魔法。在競速的壓力之下,這種材料終究會磨耗殆盡,部分是由於摩擦,但也有化學方面的因素。溫度上升時,碳-碳會與空氣中的氧氣產生反應,而氧氣會提高其劣化程度。你有時候會看到F1 駕駛大力踩煞車時冒出黑塵,這就是原因。

藉由感測器數據調整剎車系統

這個過程代表車隊需要監測的煞車項目不只是溫度。馬歇爾跟我說,他們會使用壓力感測器留意流經管子的氣流。他們也有針對磨耗的電子感測器,可以測量胎側的活動。

「我們使用這些儀器測量煞車片還能接觸煞車碟盤多久。由此可以推論總磨耗程度—也就是煞車片與煞車碟盤的磨耗總和。」為了推算總磨耗比例與煞車片的關係,以及對煞車碟盤的磨耗程度,車隊會把感測器數據對照以往試駕和賽事所蒐集的煞車數據。

「我們可以從所有資料中追溯比賽時的磨耗速率。如果太快,我們可以調整煞車平衡,以免磨耗最高的車輛壽終正寢,或可以請駕駛找一些乾淨的空氣冷卻煞車。」不管怎麼做,目標都是確保駕駛在需要的時間和地點擁有阻擋能力。任一賽季都會面臨數以千計的彎道,這些系統,當然還有駕駛,都表現卓越。

——本文摘自《黏黏滑滑》,2022 年 11 月,晨星出版,未經同意請勿轉載

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因為煮熟比較好吃啊!就算是原始人也想用火煮出美食!——《舌尖上的演化》
商周出版_96
・2023/01/03 ・2207字 ・閱讀時間約 4 分鐘

國民法官生存指南:用足夠的智識面對法庭裡的一切。

善用工具烹飪的原始人

既然黑猩猩會用石頭打碎、敲爛食物,當然不難想像遠古人類也會做同樣的事,而且可能還做得更頻繁、更有效率。

我們知道遠古人類會拿石頭當作錘子敲擊另一塊石頭,敲出銳利的石頭碎片、還有除去碎片之後剩下來的核心部位。石頭的核心可經進一步修飾,做成一種稱為「手斧」﹙hand axe﹚的工具﹙但這種工具的實際用途至今仍爭論不休﹚。遠古人類有可能利用銳利的石頭碎片切割食物、並用比較鈍的石頭和石頭底部敲爛食物。把肉切成小塊,特別是鳥類和哺乳類的肉,使其較易消化。

遠古人類切肉的行為,本質上也許就是把石製工具當作比牙齒更有力、更尖銳、且更易替換的替代品。最初的遠古人類出現的時候﹙距今約一百九十萬年前﹚,他們已經累積了長達一百四十萬年使用工具的歷史。

歷經這段漫長歲月,遠古人類可能已經將切割技術掌握得得心應手,也可能像多數的狩獵採集者和某些黑猩猩族群一樣,學會了捶打食物。跟切割一樣,捶打的動作不僅能去除食物的外殼、還能幫助研磨食物,釋出細胞中更多的營養和熱量供人利用。用來捶打食物的石頭,再次成了牙齒的化身。

人類善於利用工具切割食物到方便消化的大小。圖/envatoelements

除了切割捶打食物之外,最初的遠古人類可能也已經會發酵食物。發酵跟切割捶打是相似的原理,也能讓食物變得更好咀嚼、更易消化。發酵能將熱量變得更易吸收,而且如果處理得當,還具有殺死潛在病原菌的額外好處。不只如此,在疆肉類和植物根莖類發酵的過程中,還能增添原本食材沒有的營養素。

有些細菌能製造維生素B12,有些細菌能吸取空氣中的氮氣、並將其轉化為胺基酸。可惜的是,考古紀錄並沒有辦法證實遠古人類是否曾經利用發酵技術處理食物。在西北大學﹙Northwestern  University﹚任教的靈長類學家凱蒂.亞瑪托﹙Katie Amato﹚, 不久前舉出有力的證據,主張最初的人類物種可能已經會發酵食物,但是事實上是否真的如此,至今還是未知數。

再接下來,就是已知用火的威力了。

人類用火煮食的理由?

靈長類學家理查.蘭翰姆﹙Richard Wrangham﹚在他的著作《生火: 烹飪如何造就人》﹙Catching Fire : How Cooking Made US Human﹚中主張,生火煮食的行為是早期遠古人類的演化歷程中獨特、關鍵的特徵。

蘭翰姆推測,人類祖先是因為食用熟食,才得以獲得足夠熱量、演化出更大的腦部。如果煮食要能成為影響早期人類演化的關鍵驅動力,最晚必須要在一百九十萬年前就已經發展出來才行。但是目前我們比較確知的、人類最早開始控制火源煮食的證據,發現的年代都還要晚很多。

平心而論,就連人類在早於一百九十萬年前開始進行發酵、採集蜂蜜、更常切割捶打肉類或根莖類、或更常食用海產等等行為的證據,至今也都還沒有發現。

但是不論蘭翰姆這個爭議十足、關於人類用火的重大猜想是否正確,其中蘊含了另一項假說,是我們認為爭議小很多的。這個假說無關乎用火是否左右了人類祖先的演化,而是關乎人類祖先最初發明新飲食方法的動機。這個假說不只與用火有關,還牽涉到切割、磨碎以及發酵食物等種種行為。

蘭翰姆在他的書中不時提到:他認為人類祖先開始用火的動機,是因為熟食比較好吃——起碼比生食好吃。沒錯,用火煮食讓人們更易取得食物中的熱量,甚至可能讓人們有更多空閒時間做其他事情,像是發明語言、用石頭製作工具等等。但人們並不是為了計畫要做這些事情才開始用火的。很少有動物是基於長期的利益而選擇進行某一行為, 現代人類也不例外。

用火烤東西是為了讓食物變得更好吃。圖/envatoelements

蘭翰姆主張:人類祖先開始煮東西吃的理由無他,單純是因為煮過的食物比生食更好吃。讓我們好好思量一下蘭翰姆這項主張所代表的意義。火帶給我們溫暖、指引我們方向;火受人們馴服並幫我們加熱爐子裡的食物;火最終帶來了內燃機、現代城市、現代戰爭、網際網路等等無數技術革新。但人們最初開始用火,就只是為了讓食物更好吃。

我們來給蘭翰姆的這項假說取個名字吧,這樣比較好記:不如就稱為「尋味者假說」好了。不論用火技術最早是在何時開始,我們都可以利用尋味者假說來說明用火的功能。不管蘭翰姆所另外提出的、關於用火對早期人類演化的重要性的假說正不正確,尋味者假說都有可能成立。

這個假說單純認為:人類開始用火最初、最主要的動機,是因為用火煮過的食物比沒煮過的食物風味更豐富、吃起來更享受。這個假說不只適用於火而已。尋味者假說可以套用在黑猩猩的飲食傳統和料理方法上:黑猩猩製作並使用工具,是為了追求更豐富的風味,而牠們使用哪些工具,一部分與環境有關、一部分與傳統有關。

尋味者假說或許也可以解釋為何人類祖先開始利用其他技術處理食物, 不管那些技術源自哪個年代。但是尋味者假說有一個重大前提:它預設人類祖先運用新工具和新技術所獲得的食物,實際上真的比原本的食物好吃。幸好,大部分的證據都顯示確實如此。

——本文摘自《舌尖上的演化》,2022 年 12 月,商周出版出版,未經同意請勿轉載。

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科學寶可夢2 #157 火爆獸:千萬別摸牠
Rock Sun
・2017/12/27 ・3063字 ・閱讀時間約 6 分鐘 ・SR值 517 ・六年級

身為一名訓練師,你真的了解你的寶貝們嗎?寶可夢圖鑑讀熟了沒?

其實圖鑑告訴你的比想像中的還多喔!每個星期周末跟著 R 編一起來上一門訓練師的科學課吧!來跟大家分析這些寶可夢們是如何使用科學力來戰鬥的。

在Y編的百般詢問之下(其實是我自我放逐~~~),R編決定來繼續「科學寶可夢」這個專題。(y編按:已經富奸太久了!!!!!!)儘管寶可夢有點退燒了,但這充滿空想、奇幻又可以用科學來驗證、討論的世界,對我們科學青年科宅根本是個遊樂場~ 不是嗎?

第二世代打頭陣的熱學謎團  #157 火爆獸

像最一開始一樣,我們先從某隻御三家開始說起。而由於菊草葉-月桂葉-大竺葵的介紹幾乎都是曬太陽、有香味、跟大自然互動等有關,老實說……感覺超無害的。然後當我看到火球鼠的最終進化型火爆獸時,整個反差就出來了。

「當牠生氣的時候,體溫會上升,任何碰到的東西都會立刻燒起來。」—金、紅寶石、藍寶石、葉綠、綠寶石、心金、X

「牠有一個大絕招……用力摩擦自己的毛產生爆炸。」–銀、火紅、魂銀、Y

這一看就知道不得了!![注1]

這裡有兩個現象需要驗證,一個就是火爆獸的身體能夠產生夠誇張的高溫,高到能夠讓牠碰到的東西立刻燒起來;二來是能藉由摩擦毛皮讓氣體膨脹,進而產生爆炸。

雖然前者沒有詳細講產生高溫的方法,後者沒有說磨擦和爆炸之間是什麼關係[注2],但我們可以試著綜合一下這些現象之間的物理學~~

岩漿跟這次的重點一點關係都沒有,但很帥嘛~(圖/arkeis-pokemon – DeviantArt)

摩擦生熱~~聽起來很簡單嘛~

「生熱」的方式很多種,例如化學反應、吸收輻射、物理運動時正常的能量釋放……等,都會放出熱量,當然只要夠熱、能達到燃料的燃點並有氧氣,就可以生火,但再開放其他選項給火爆鼠之前,就先來研究一下它圖鑑中有指名道姓的摩擦生熱。

任何物體~我再重複一次~~任何物體 的表面都不是完全光滑的,就算是冰塊也一樣。微觀上,當你把兩個物體表面彼此接觸時,兩邊的分子、原子會開始吸引對方,產生一種暫時的鍵結,每當你摩擦、移動的時候這些鍵結就會被打斷,消耗你的一些力氣,但同時為了保持能量守恆,這些能量就會化為熱量釋放出來。

在日常生活中你對摩擦生熱一定也不陌生,在這篇文章出現的季節你可能不時會搓幾下手,只為了求得那短短一瞬間的溫暖,但從來沒聽說過有人因此而灼傷,或是手就然燒起來的[注3],事實上,光是雙手合十用力搓個幾分鐘就相當累了,而這裡卻有一個傢伙不只能讓自己覺得好溫暖、還能讓任何東西燒起來。

「friction fire」的圖片搜尋結果
摩擦生熱。你夠厲害的話燒起來是可能的。

而要計算摩擦生熱的過程其實相當複雜,一言以闢之,它的公式長這樣。

簡單的說,這個公式就是計算每一分一寸火爆獸移動的毛都會產生一點熱量,然後沿著身形把這些熱都加起來,這個時候真的很希望真的有一隻現實存在的火爆獸能夠給我們測量表面積、毛皮密度和毛皮組成了[注4],但在自己估算這些東西真的有困難的情況下,只好先從簡、從讓一個物體燃燒的最低要求開始討論起。

可能是全世界最摸不得的寵物

燃燒有三要素:氧氣、燃料、溫度,其中氧氣無所不在,而且毛髮空隙中一定很多氧氣,所以這個條件就是為已經達成好了。至於要滿足剩下兩個條件,火爆獸有兩條路可以走,一是單純的把自己的身體加熱到滿足物體的自燃點;二是身體先產生火花,在燃燒任何碰到的東西。

自燃點指的是常壓下,只要外部沒有火花、火焰等火源點燃時,一個物體會自己燃燒的最低溫度。用這個方法最大的難題就是這需要火爆獸自己產生難以置信的高溫[注5],例如乾燥的木頭自燃點介於 300~400℃、煤的自燃點有 700℃、而有機氣體如烷烯炔則有高有低,高如甲烷有 537℃而庚烷則只有 215℃。

所以要讓所有找的到的燃料自燃燒起來的話,火爆獸大概也要加溫到 800℃以上,但要靠摩擦產生這樣的高溫,火爆鼠的毛皮應該要像橡皮那樣具有高摩擦係數,而且在短小的空間內以驚人的速度來回移動,就算如此還不一定能有這種溫度呢~

而且如果還要滿足「碰到任何東西都會立刻燒起來」……這怎麼可能……

所以你真的很棒~(圖/GIPHY)

燃燒、爆炸一次搞定的好方法

不過火爆獸也可以不需要這麼拼命的摩擦生熱,因為靠第二種方法,生理上或許可以容易一點,也可以達到圖鑑的第二條敘述,就是他自己可以先產生火花。

我們現實生活中就有個靠摩擦生熱而且起火相當輕鬆的實例,就是火柴。

火柴頭是由一些相當易燃的物質製成的,例如氯酸鉀和硫磺,而用來摩擦的盒子表面是由紅磷、玻璃粉等物質組成的,當你不快也不慢一抹,火柴與磷皮接觸面可以達到大概200~300℃之間,這時候火柴就會燃燒。

而且現在的火柴這樣設計已經是因為安全目的了,如果不要命一點的話還可以改成其他物質,例如白磷,只要今天稍微熱一點……火爆獸就能自動燒起來喔~ 但如果繼續使用紅磷的話,只要火爆獸的毛有這些成分並能夠彼此摩擦就好了,而且剛剛好火球鼠一脈背上都有奇怪的紅色毛皮,難不成那些是產生爆炸的關鍵嗎?

爆炸,可以從物理和化學的方法來解決,其中化學比較直觀一些:其實只要火爆獸的毛有部分是火藥組成,然後他身上有能力產生火花,產生爆炸就不難了,不過前提是牠自己能撐過去[注6]。

稍微目測一下,那些斑點差不多是0.02平方公尺的圓形,大概有4塊這樣的毛皮,假設他們厚2公分,然後它們100%都是火藥構成的(反正只要有一點火花就好了,乾脆點),這樣差不多是00016立方公尺的火藥。

如果牠每一次一點火,這麼多的火藥就爆炸,會有多少威力呢?

想必那個梳子來歷應該也不小…..(圖/GIPHY)

TNT的密度是1.654 g/cm³,經過計算之後,這幾塊毛差不多能提供大概約2.5公斤的炸藥,每一公斤的TNT能釋放400萬焦耳的能量,2.5公斤分量的話,這威力足以炸掉2台小轎車。

所以這下子組成火爆鼠的完美元素們都達成了,在博士和訓練師高興之餘,要記得不要在他生氣的時候用抱抱安撫他喔~ 要不然小心身首異處…..

編注:

  1. 從火球鼠開始,這三隻寶可夢的介紹都是清一色的「生氣會捲起來」、「從背上噴火保護自己」、「越生氣火焰越強」、「會背對對手,用火焰攻擊」,老實說感覺好像都是同一個人寫的,火爆獸是唯一個相關描述比較明確的了。
  2. 單純的看「摩擦」和「爆炸」彼此真的沒有絕對的關係,像車子開久了,輪胎和馬路磨擦磨久了也不會爆炸,但如果考慮到溫度、壓力等就有可能,但單純字面上真的一點關聯都沒有。
  3. R編抱著好奇的心情搜尋了:「用手摩擦生熱世界紀錄」,還真的找到一位美國人,在2010年留下紀錄,靠著磨擦手增加6℃…..雖然我不知道花了多久,但感覺很真的很偉大啊 ~
  4. 這裡我原本想加上對火爆獸毛皮的推測,用物質之間摩擦係數的高低來判斷他的毛皮是用什麼做的。但發現線索真的不多,而且摩擦係數高的物質看起來都不向是生物身上長得出來的東西,所以就算了。
  5. 在跟之前火伊布、鴨嘴火龍、噴火龍相比,800℃真的是小菜一疊,所以我也不知道我在擔心什麼~延伸閱讀:科學寶可夢 #126、136 火伊布、鴨嘴火龍:燙也該有個限度
  6. 如果不顧人命和自身安危的話,可以使用白磷,自燃點只比30℃高一點,所以很容易就產生高溫,而且物質本身具有毒性,作為軍事武器很危險,所以國際已禁用,如果火爆獸真的用白磷的話,可能屬性還要多一個毒屬性。

資料來源:

  1. Engineer Toolbox
  2. Discovery: Mythbuster
  3. How Stuff Works
  4. Scientific pokedex
文章難易度
Rock Sun
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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