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《柯南 通往天國的倒數計時》——2018數感盃 / 高中組專題報導類佳作

數感實驗室_96
・2018/04/12 ・1526字 ・閱讀時間約 3 分鐘

數感盃青少年寫作競賽」提供國中、高中職學生在培養數學素養後,一個絕佳的發揮舞台。本競賽鼓勵學生跨領域學習,運用數學知識,培養及展現邏輯思考與文字撰寫的能力,盼提升臺灣青少年科普寫作的風氣以及對數學的興趣。

本文為 2018數感盃青少年寫作競賽 / 高中組專題報導類佳作 之作品,為盡量完整呈現學生之作品樣貌,本文除首圖及標點符號、錯字之外並未進行其他大幅度編修。

source:imdb
  • 作者:許聖玟/永春高中

日本人氣漫畫名偵探柯南是一部紅了 20 年的經典,陪伴許多人長大,從 1997 年第一部劇場版《引爆摩天樓》推出後造成轟動,之後柯南每年會固定推出一部電影。推理解謎一直是柯南的重要元素,且隨著科技的進步,電影中的聲光效果也越來越厲害,更多了緊張刺激的動作場面。隨著時代的潮流不斷進步,成為不朽之作。

在柯南電影系列中,有一部「通往天國的倒數計時 」,其中出場人物包含柯南,約重 18 公斤;小哀,約重 18 公斤;步美,約重 16 公斤;光彥,約重 20 公斤;元太,約重 40 公斤。了解這些角色體重訊息後,接下來我們就可以來看看其中一段特殊的情節設計。

電影裡,典禮會場上短時間的黑暗之後,又有另一人被殺害。現場也和第一次一樣,留下了一個小酒杯。非常明顯的,這兩次的兇手必定為同一個人。壞人琴酒利用警察與毛利小五郎正在調查案件的混亂之際,引爆了藏在大樓內的炸藥,銷毀組織一切不可告人的情報,同時把在樓頂的柯南偵探團困在裡面,使他們陷入了危險。在這麼危急的時候,柯南等人卻利用飛車逃離了這危險的大樓,到了另一座大樓!

我們來看一下他們是怎麼逃出去的。

這兩座大樓的水平距離大概是 50 米,大樓間的高度差約 20 米,所以說,如果車子真的要飛過去的話,距離就會變成拋物線,這樣的距離會變成 60 米長。地球上的物體雖然在水平方向運動的時候能夠以等速度前進,可是當物體正在下墜時會因位重力的關係,以等比的加速下墜。下面是電影中小哀的分析過程: t=√ˉˉˉ2×20÷9.80665=2.02s≈2s 也就是説,從 20 米高處下墜只需 2 秒。 2s->60m=1s->30m,其中30m/s=108km/h,但經過柯南分析了場地以及車子的問題後,推論他們的時速最高只能衝到 60km/h 。

基本上柯南他們是沒有機會的!但處在準備爆炸的大樓裡,這樣的情況值得他們賭一把!

柯南估計宴會場距離能讓車加速到 60km/hr加上爆炸的推力,時速應該能夠到108/hr以上。其實這句話有非常大的問題了,以多少人在車上能加速到60km/hr?現在是五個小孩,如果他們全部都要上車,那乘客總重約 120kg了,那麼這樣還能如期在相同距離內加速到 60km/hr嗎?現在多出了 120kg,那麼車子的速度應該會更慢。60km加爆炸風根本是在賭博,因為實際上是多少柯南它自己應該也無法保證,除非它知道是怎麼樣的炸彈,以及炸彈放置的地點推論,但電影中並沒有提到這樣的資訊。

接下來就看一下我的算法吧!

我先假設它是一台跑車大約 1600kg,那麼總重就大約是是 1600kg+120kg,接著代入 F=ma 的公式中裡面,假設真的像柯南估計的一樣在宴會場跑完是60km/hr,那爆炸帶給車的推力必須讓車能夠加速到108kg/hr,其中加速度 a=108-60=48,F=(1600kg+120kg)*13m/s=22360N,所以爆炸產生的推力須達22360N。假設在完美狀況下,其他阻力都都不考慮,而 F>22360N,那就應該可以飛得過去!相對的,如果說爆炸給的推力 F<22360N,那我們就沒有柯南可以看了。

在未來,假使我們能夠將車子改良,使車子在更短時間與更短距離內加速,並且到達一定的水準,那麼現實中發生類似情況時,人們就不用冒著風險去賭一把了。

或者說,假使運氣好,炸彈是空用炸彈的話,也能幫助我們逃出生天。因為空用炸彈的爆炸威力是足以到達 30000N 以上,反推回去的話,即使車子只加速到50km/hr,也能安全過關!

更多2018數感盃青少年寫作競賽內容,歡迎參考 2018數感盃特輯、數感實驗室官網粉絲頁喔。

文章難易度
數感實驗室_96
46 篇文章 ・ 18 位粉絲
數感實驗室的宗旨是讓社會大眾「看見數學」。 數感實驗室於 2016 年 4 月成立 Facebook 粉絲頁,迄今超過 44,000 位粉絲追蹤。每天發布一則數學文章,內容包括介紹數學新知、生活中的數學應用、或是數學和文學、藝術等跨領域結合的議題。 詳見網站:http://numeracy.club/ 粉絲專頁:https://www.facebook.com/pg/numeracylab/

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災難片成真!?小行星「貝努」行蹤飄忽,撞地球的機率有多大?

EASY天文地科小站_96
・2021/09/19 ・2765字 ・閱讀時間約 5 分鐘
  • 文/陳子翔(現就讀師大地球科學系, EASY 天文地科團隊創辦者)

知名物理學家史蒂芬.霍金(Stephen Hawking)認為,小行星撞擊是宇宙中高等智慧生命最大的威脅之一。而回首地球的過去,六千五百萬年前的白堊紀末期,造成恐龍消失的生物大滅絕,也肇因於一顆直徑約十公里的小行星撞擊。那麼,我們應該擔心小行星帶來如同災難片場景的巨大浩劫嗎,人類又能為這件事做什麼準備呢?

我們該擔心哪些小行星,小行星撞擊能被預測嗎?

太陽系中的小行星不可勝數,但並非所有小行星都對於地球有潛在的危害。那麼,哪些小行星是應該注意的呢?

我們可以簡單從兩個條件,篩選出對地球有潛在威脅的小行星:第一是小行星的軌道,第二則是小行星的大小。如果一個天體的運行軌道與地球的運行軌道沒有交會,那也就不需要擔心它會部會撞到地球了。而直徑越大的小行星,撞擊地球產生的災害就會越大,例如一顆直徑 10 公尺的小行星墜落能造成小範圍的建築物受損,而直徑 50 公尺的小行星撞擊,其威力則足以摧毀整座大型城市。

https://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/thumb/5/59/Chelyabinsk_meteor_event_consequences_in_Drama_Theatre.jpg/1024px-Chelyabinsk_meteor_event_consequences_in_Drama_Theatre.jpg
2013 年俄羅斯車里亞賓斯克小行星墜落事件,隕石在空中爆炸的震波震碎大片玻璃。圖/Nikita Plekhanov

過去天文學家透過遍布世界的天文台,不斷在夜空中尋找近地小天體,並持續監測它們的動向。而透過觀測資料推算其軌道,就可以算出這些危險的小鄰居未來與地球發生「車禍」的機率有多大,而這篇文章的主角「貝努」,就是一顆被認為有較大機會撞擊地球,因此被重點關注的對象。

貝努撞地球會是未來的災難嗎?

貝努在 1999 年被發現,是一顆直徑約 500 公尺的小行星,它以橢圓軌道繞行太陽,公轉週期大約 437 天。由於貝努的軌道與地球相當接近,它每隔幾年就會接近地球一次,而本世紀貝努最接近我們的時刻將會發生在西元 2060 年,不過別擔心,該年貝努與地球最接近時,距離預計也還有七十萬公里,大約是地球至月球距離的兩倍,撞擊風險微乎其微。

綠色為地球軌道,藍色為貝努軌道。圖/University of Arizona

然而天文學家真正關注,撞擊風險較大的接近事件則會發生在下一個世紀。根據目前的軌道計算,貝努在西元 2135 年和 2182 年的兩次接近,會有較大的撞擊風險。說到這裡可能許多讀者會覺得,既然我們都活不到那個時候,何必去操心那些根本遇不到的事情呢?

那麼,讓我們想像一個情境:

如果今天天文學家突然發現了一顆與貝努一樣大的小行星,並算出它將在一年後撞上地球,那身為這個星球上「最有智慧的物種」,我們能怎麼應對呢?

很遺憾的:我們很可能對於撞擊束手無策。當前人類並沒有任何成熟的技術,能夠在這麼短的時間內改變小行星的軌道。這時候人們可能就會希望前人早點望向星空,調查小行星,好讓人們能夠有多一百年的時間準備應對的方法了!

小行星軌道計算不就是簡單的牛頓力學,為什麼算不準?

那麼貝努在未來 100〜200 年到底會不會撞擊地球呢?其實天文學家也說不太準,只能給出大概的機率而已,而且時間越久,預測的不確定性就越大。

你也許會想,天體的運行軌道不就只是簡單的牛頓力學,三百年前的人就已經掌握得很好了,在電腦科技發達的現代怎們會算不準呢?確實,如果要算地球與火星在 100 年後的相對位置,那電腦還能輕鬆算出相當精確的答案,但如果是計算小行星 100 年後的位置,事情就變得棘手多了……

由於小行星的質量很小,就算是相對微小的引力干擾還是足以改變其運行方向,而混沌理論(Chaos theory)告訴我們,任何微小的初始條件差異,都能造成結果極大的不同。因此要對小行星軌道做長期預測,就不能只考慮太陽的引力,而是必須把行星等其他天體的引力也納入計算,才能獲得比較準確的結果。尤其是當這些小行星與地球擦肩而過時,即使只有幾百公尺的位置偏差,受到的引力也會有相當的不同,使得小行星的未來軌跡出現巨大的差異。

而更令天文學家們頭痛的是,有些問題甚至不是萬有引力能夠解決的,其中一個因子就是「亞爾科夫斯基效應」(Yarkovsky Effect)。這個效應是這樣的:當陽光照在自轉中的小行星上,陽光會加熱小行星的受光面,而被加熱的這一面轉向背光面時,釋放的熱能會像是小小的火箭引擎一樣推動小行星。這個作用的推力非常小,但長期下來還是足以對質量很小的天體造成軌跡變化,也讓軌道預測多了很大的不確定性。

亞爾科夫斯基效應的動畫。影片/NASA

OSIRIS-REx 任務揭露貝努的神秘面紗,也讓軌道推估更精確

為了更深入了解貝努,NASA 在 2016 年發射 OSIRIS-REx 探測器探查這顆小行星。OSIRIS-REx 主要的任務包括從貝努表面採取樣本並送回地球分析、對整顆小行星做完整的調查,以及評估各種影響貝努運行軌道的因子,改善貝努軌道的預測模型,評估將來的撞擊風險。

在軌道分析方面,OSIRIS-REx 一方面能在環繞貝努的過程中緊盯貝努的「一舉一動」,讓天文學家透過精確的觀測結果反推貝努的軌道特性。另一方面,要評估亞爾科夫斯基效應對小行星軌道的影響,也需要考量小行星的地形地貌、反照率等等因素,因此 OSIRIS-REx 的各項觀測資料,也有助於建立更精確的軌道預測模型。

OSIRIS-REx 探測器。圖/University of Arizona/NASA Goddard Space Flight Center

目前 OSIRIS-REx 的任務還沒有結束,但是在取得更準確的軌道預測模型與撞擊風險評估上,已經有了初步的成果。根據這次任務提供的觀測資料,天文學家將預測貝努未來軌道的時間極限,從原本的西元 2200 年延長至 2300 年。而西元2300年之前,貝努撞上地球的機率大約是 0.057% (1/1750),最危險的一次接近則會發生在西元 2182 年

「知己知彼,百戰不殆」。面對像貝努這樣的危險鄰居,唯有盡可能認識它的一切,才越能夠掌握其未來的動向,進而在將來思考要如何面對小行星的撞擊的風險。另外,目前 OSIRIS-REx 也正在返航地球的旅途上,期待 2023 年 OSIRIS-REx 能順利的帶著貝努的樣本回到地球,帶給我們更多有關小行星的重要資訊!

參考資料

EASY天文地科小站_96
4 篇文章 ・ 7 位粉絲
EASY 是由一群熱愛地科的學生於2017年創立的團隊,目前主要由研究生與大學生組成。我們透過創作圖文專欄、文章以及舉辦實體活動,分享天文、太空與地球科學的大小事
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