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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。

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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。

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「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℃。

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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。

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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。

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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:

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  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
64 篇文章 ・ 895 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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鑑識故事系列:義大利煙火工廠爆炸
胡中行_96
・2023/08/10 ・1785字 ・閱讀時間約 3 分鐘

義大利南部每到新年,必要放煙火驅邪避凶。西西里島上,某家族經營的煙火工廠,隨著年關將近,如火如荼地籌措活動所需。2019 年 11 月 20 日,[1]突然發生巨大爆炸。[1, 2]該廠 20 年前的類似意外沒死人;這回可沒那麼幸運。[1]

2019 年義大利的某場新年煙火。圖/Marco Chilese on Unsplash

爆炸傷害

煙火以硝酸鉀(potassium nitrate)、煤粉(pulverised charcoal)及(sulphur)為主要成份。爆炸的時候,會壓縮空氣,並提高其壓力和溫度,產生殺傷力十足的爆炸波(blast wave)。[2]爆炸傷害大致可以分成 4 類:[2, 3]

  • 第一類:爆炸波直接傷害充滿氣體的臟器,例如:肺部、腸胃道或中耳等。[2, 3]若是太靠近源頭,或是爆炸的力道過強,則實心的內臟,像是肝臟與脾臟,也會受傷。[2]
  • 第二類:爆裂物本身或其他碎片造成的穿刺傷。[2, 3]比第一類的傷害來得普遍,而且是爆炸事件中,最常見的死因。[3]
  • 第三類:爆炸波使人體位移而撞上東西,或者遭毀壞的建物結構壓到,導致鈍器損傷、腦震盪、穿刺傷和各類骨折等。[2, 3]
  • 第四類:吸入有害氣體、燒傷、輻射,或其他間接的環境傷害,以及心理衝擊。[2, 3]

煙火工廠的死傷

西西里這家煙火工廠有16棟建物,編號 6 和 7 全毀;鄰近的8號著火;其他的所有建物,也遭到向周邊擴散的爆炸波衝擊,輕微損壞。7 名現場人員的創傷,涵蓋上述所有類型;其中死亡的 5 人,皆有至少 2 到 3 度燒傷。[2]以下死傷摘要,整理自新聞報導,以及現場鑑識、解剖驗屍和 3D 電腦斷層等結果:[1, 2](請慎入超連結附圖。)

  • 受害者 1:36 歲,男性;肺、肝、脾臟撕裂;肺部出血性水腫、急性肺氣腫;顱骨碎裂,右邊肋骨卡了建物碎屑,全身多處骨折;死於建物 6 和 7 附近。(照片[2]
  • 受害者 2:23 歲,男性;多處骨折;建物碎屑侵入左顳頂骨、前腹壁及各處的皮下組織;頭、頸、腹部撕裂;四肢瘀青且燒傷;死於建物6和7附近。(照片 [2]
  • 受害者 3:34 歲,男性;顱骨碎裂,內臟全毀,屍塊四散,遠過建物8。[2]
  • 受害者 4:71 歲,女性,即工廠老闆娘;[1, 2]急性肺氣腫、急性支氣管腺泡出血;多處骨折,塑膠物嵌入左頂骨;在建物8旁,幾乎完全燒成焦屍。[2]
  • 受害者 5:39歲,男性;全身多處撕裂及燒傷,肺部出血性水腫、急性局部肺氣腫,右脛骨開放性骨折;[註]送醫途中死亡。[2]
  • 受害者 6:工廠少東;[1, 2]嚴重燒傷,輕微骨折,兩側耳膜穿孔,治療後出院。[2]
  • 受害者 7:嚴重燒傷,輕微骨折,治療後出院。[2]

炸得面目全非,屍塊殘破的受害者 3,是所有死者中最難辨識的。於此情況下,DNA、指紋或牙齒都派得上用場。這個案件的鑑識團隊,靠死者父母提供的 DNA,比對身份。[2]

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a. 該煙火工廠的衛星空照圖;b.和c.分別為建物 7 與 8。圖/參考資料 2,Figure 1(CC BY 4.0)

還原事件

火災調查單位經過一番努力,還原事發過程:建物 6 到 8 的功能,分別是堆放成品、儲存染料與製造煙火。受害者 1、2、3 和 5,於建物 6 及 7 一帶,裝設新的拉門;其中受害者 3 在建物 7,焊接門軌的鐵製支撐結構。受害者 4,即工廠老闆娘,則從建物 8 的方向前來。另外,受害者 6 跟 7,也就是少東與一名工人,應該也在附近。 [2]

除了少數自殺案件,當事人把煙火塞進自己嘴裡;多數的煙火爆炸事故,起因於工作人員未受訓練,或者操作時沒遵守安全規定。[2]正確的焊接環境,必須保持通風,移除或隔絕可燃物。[4]這家煙火工廠依照相關法規施工,然而焊接的火花,卻還是引發爆炸,釀成5死2傷。也難怪司法單位一度懷疑,是勞資糾紛導致的惡意縱火,不過最後證據都指向意外。[2]

  

備註

原個案報告在文章中,描述受害者 4 右脛骨骨折;但是根據其表格 1 和 2,那應該是受害者 5 的創傷。[2]

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參考資料

  1. Deadly fireworks explosion rocks Sicily’. (20 NOV 2019) Deutsche Welle, Germany.
  2. Baldino G, Stassi C, Mondello C, et al. (2021) ‘Forensic investigative issues in a fireworks production factory explosion’. International Journal of Legal Medicine, 135, 1647–1654.
  3. Jorolemon MR, Lopez RA, Krywko DM. (18 JUL 2022) ‘Blast Injuries’. In: StatPearls. Treasure Island (FL): StatPearls Publishing.
  4. Welding processes – Code of Practice’. (JUL 2020) Safe Work Australia.
胡中行_96
169 篇文章 ・ 65 位粉絲
曾任澳洲臨床試驗研究護理師,以及臺、澳劇場工作者。 西澳大學護理碩士、國立台北藝術大學戲劇學士(主修編劇)。邀稿請洽臉書「荒誕遊牧」,謝謝。

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人體自燃現象是真的嗎?這些傳聞究竟是「科學」還是「戲劇」?——《怪奇醫療史》
時報出版_96
・2023/02/19 ・3023字 ・閱讀時間約 6 分鐘

肥滋滋的肚子也能當蠟燭燒?

在寫到狄更斯與醫學關係的第三篇文章前,我想先鋪一個梗,談一下三國時代的人物董卓―這位漢靈帝時代的中郎將,受大將軍何進之託,脅迫當時干政的宦官十常侍,利用手中兵權搞得朝廷大亂,是開啟三國時代序幕的重要推手。

董卓應該是長年享受錦衣玉食慣了,根據記載他身軀肥胖,因此他的死,讓文史作家有了無限想像的空間。例如在《三國演義》第九回「除暴兇呂布助司徒,犯長安李傕聽賈詡」中,司徒王允設反間計,挑撥董卓的大將呂布將其殺死,羅貫中寫道:「卓屍肥胖,看屍軍士以火置其臍中為燈,膏流滿地。」

另外在一本紀錄東漢末年軍閥割據的小說《英雄記》也提到:「卓素肥,膏流浸地,草為之丹。守屍吏暝以為大炷,置卓臍中以為燈,光明達旦,如是積日。」

這些都比《三國演義》還扯,肥滋滋的董卓死後,肚臍被置入燈芯,竟然光亮如日,而且還持續好幾天,把董卓比成瓦斯桶。

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人體的脂肪被傳聞說能當成瓦斯桶一樣燃燒。圖/giphy

看到上面的兩段描寫,以外科醫生的立場而言,只能說是鬼扯,如果人死後脂肪可以膏流滿地的話,那開刀房一定是人間煉獄,因為每個胖子被開腸剖肚之後,還沒有看到病灶時,外科醫師可能要準備大量的吸油紙,甚至是幫浦來把流出的油處理掉,否則沒有辦法進行下一步的工作。

至於利用肚子的脂肪當成蠟燭使用,更是讓我匪夷所思,因為人體的成分不見得全然是油脂,身體組織的燃點也不可能輕易的用燈芯點燃,如果這種情形會發生的話,那外科醫師一定也深受其害,因為我們用刀劃開身體之後,必須以高溫的電燒刀去止血,目前還沒有聽到患者在手術中忽然被點燃,甚至開刀房為此發生火災的紀錄。

會提到董卓的故事,是向各位說明人體不可能作為點燃的原料,否則在火場裡,消防弟兄救人時可能會帶著火柱出來,會特別提出來討論,是為了接下來探討狄更斯所處的時代,一直有很多人深信不疑的「人體自燃現象」(spontaneoushuman combustion,SHC),我們這位偉大的作家也是它的信徒。

許多故事中都有提到人體自燃現象。圖/giphy

「科學」現象還是「戲劇娛樂」效果?

狄更斯在《聖誕頌歌》中寫到,主角史古基(Scrooge)就擔心遇到聖誕禮物的幽靈時,會成為一個有趣的「身體自燃案」;另一部小說《荒涼山莊》(BleakHouse),其中的角色克魯克(Krook),一個時常酒醉的破銅爛鐵店老闆,被狄更斯形容「嘴裡冒著煙,好像身體裡著火一樣」,結果在一場大火中以驚人的方式消失:

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「金屬爐架只剩下很小的火,但房間中有一股悶悶不樂的蒸汽,牆壁和天花板上有一層又黑又油膩的塗層。椅子和桌子,以及很少出現在桌子上的瓶子,都像往常一樣站立著,在一張椅背上掛著擾人毛茸茸的帽子和外套……這裡是一小塊燒焦的碎木頭的灰燼,上面灑著白灰,還是煤?哦,恐怖,他在這裡。」

狄更斯所描述的是克魯克當時已經發生了人體自燃,和傳說中所描述的一樣,房間裡有濃濃的灰燼,除了遺體化成油性的物質外,其他的東西卻安然無恙。

為什麼狄更斯會大膽地將當時流行的人體自燃寫入小說中?根據長年研究狄更斯的專家特雷佛.布朗特(Trevor Blount)所說,和作家在小時候經常閱讀一本可怕的期刊《The Terrific Register》有關,裡面多刊登聳人聽聞的事情,如暴行、酷刑、地震、沉船、鬼故事或決鬥場景等等,該雜誌在一八二二年有一期特別以駭人的細節描述,講述了柯妮莉亞.讚哈里.迪.班狄(Cornelia Zanghari di Bandi)伯爵夫人的死訊。

那是發生在一七三一年三月十五日,班狄伯爵辦了晚宴,當天伯爵夫人喝了相當多的白蘭地,所以不勝酒力的她早早回房睡覺,隔天女僕敲門,但伯爵夫人沒有回應,女僕只好打開窗戶,驚訝發現伯爵夫人已不成人形。

根據期刊裡的記載,伯爵夫人部分的顱骨及下巴已燒成灰燼,她的身體其他部分完好如初,當然身旁的家具都沒有燃燒的痕跡,不過空氣中瀰漫著臭味,像是酒與食物混合發出的酸臭味,有些油膩的東西滴得到處都是。

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一位叫比安奇尼(Bianchini)的牧師到場,也看到如此驚人的景象,斷言伯爵夫人是人體自燃,原因是發炎的血攪動了胃裡的汁液,和腹中的發酵物(其實是白蘭地)作用而燃燒。

類似上述的故事,從十七世紀時就充斥在歐洲的大眾間,到了十九世紀的報紙、甚至醫學期刊中,還不乏有零星的報告出現,也難怪喜歡大量閱讀的狄更斯受不了蠱惑,最終將其寫入小說中,作為那些卑鄙人物的懲罰。

《荒涼山莊》是連載的小說,所以在克魯克死亡這一部分發表後,有一位有醫學背景的文學批評家喬治.亨利.路易士(George Henry Lewis)對其發出嚴厲批判,引經據典提出許多科學家來嘲諷狄更斯,還敦促他在《荒涼山莊》以書本形式出版後,能夠做出一些校正,以防止類似的錯誤訊息傳播。

人體自燃現象也許純屬劇效果。圖/giphy

如果狄更斯以輕鬆的筆調回應這件事,勸路易士不要太嚴肅的話,整件事大概就不會有糾纏,可惜狄更斯找出了一些深信人體自燃的醫師還有學者,及現場目擊者來反擊路易士,甚至在《荒涼山莊》以單行本出版時,斬釘截鐵說他的故事確實可信,而且有科學依據,結果惹來路易士更強烈的批判,希望他「不能隨意忽視和沉默地忽略,他所收集到的反對人體自燃的科學證據」。

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結果普羅大眾的反應呢?大家對克魯克死亡沒有發表任何贊成或反對的意見,狄更斯的聲明沒有受損,《荒涼山莊》更是大賣,這是玄學戰勝科學嗎?我並不這麼認為,因為喜歡看小說的讀者,都喜歡看到壞人死狀悽慘,那遠比科學重要。

如果大家以人體自燃上網站搜尋的話,相信會有驚人的發現,而且也會看到長長一列的知名作家,如馬克.吐溫,以及寫出《簡愛》(Jane Eyre)的英國作家夏綠蒂.勃朗特(Charlotte Bronte)等等,在他們的作品中談到人體自燃現象的情節。

許多作品中讓壞人以自燃的方式死亡。圖/giphy

可能讀者有的是人體自燃的擁護者,會提出很多不可思議的現象來問我意見,我的反駁除了剛剛在董卓死亡的敘述外,另外提出一個觀點讓大家思考:所謂的人體自燃受害者,大都沒有任何現場目擊證人以解釋他們如何燃燒?所以我並不反對他們燒成灰燼,只是不相信他們會自己燒起來罷了!

我的心情應該和買那些《荒涼山莊》的讀者一樣,小說本來就是要怪力亂神、天馬行空,壞人就該死狀悽慘、結局大快人心,把那些不合常理的事拿到科學上來討論有必要嗎?

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拜託,大家不要像狄更斯和路易士那麼認真嘛!

——本文摘自《怪奇醫療史:從疫苗發明、疾病歷史、護體神功、縮陽症、按摩槍等,解開最不可思議的醫學古今事》,2022 年 10 月,時報出版出版,未經同意請勿轉載。

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時報出版_96
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出版品包括文學、人文社科、商業、生活、科普、漫畫、趨勢、心理勵志等,活躍於書市中,累積出版品五千多種,獲得國內外專家讀者、各種獎項的肯定,打造出無數的暢銷傳奇及和重量級作者,在台灣引爆一波波的閱讀議題及風潮。

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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

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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。

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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。

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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。

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「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。

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「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。

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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。

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