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從合力為零到乘著風的旅程:怎麼溜滑梯才能安全又好玩呢?

活躍星系核_96
・2018/05/11 ・3292字 ・閱讀時間約 6 分鐘 ・SR值 497 ・六年級
  • 作者 / 特公盟(還我特色公園行動聯盟)、葉于莉*
日本沖繩|特公盟李玉華提供

幾乎每個公園都有滑梯,長的、短的、曲折的、筆直的、中途平緩再直落的,多種形式與不同難易程度的滑梯,等著喜愛溜滑梯的人們來挑戰。然而在公園溜滑梯時,為什麼有的人會飛出去蹬屁股而有的人不會?為什麼有的滑梯會讓人煞不住車而有的又不會呢?到底有什麼因素會影響溜滑梯的過程?

從頂端開始的溜滑梯旅程

圖/pxhere

我們先來談談從滑梯頂端滑下來時這一系列的物理現象。

當一個人坐在滑梯入口時,他的速度是零,是處於靜止狀態。

當一個人坐在滑梯入口時,他的速度是零,是處於靜止狀態。在平面時重力的作用無法抵抗靜摩擦力。圖/作者提供。

當人往前移動到達斜面時,因為角度的傾斜,重力作用在非平面造成人會往下滑動。地球的重力會對地球上的所有物體產生向下的作用力。因此當你坐在滑梯的頂端時,就是重力使你向下滑動。

重力作用在非平面造成人往下滑動,滑動的同時摩擦力也在作用,摩擦力作用的方向和滑動方向相反,兩個方向相反的作用力互相抵銷後的淨作用力,繼續帶動他持續加速下滑。圖/作者提供。
  • 編按:此圖為更新版本,原始刊登版本其分力繪製有誤,特此更正。(2018/10/26)

如果沒有了重力,我們就無法體驗溜滑梯的樂趣了!

因為重力會讓人開始滑動,不過滑動的同時摩擦力也在作用;摩擦力是指當兩個物體相互摩擦時發生的力,例如滑梯和人的臀部或背部。摩擦力可以抵消重力的作用,減緩人在滑梯上下滑的速度,如果沒有摩擦力,下滑的速度會過快而導致有受傷的可能 ; 反之,摩擦力越大,滑梯就越不滑。摩擦力作用的方向和滑動方向相反,兩個方向相反的作用力互相抵銷後的淨作用力,繼續帶動他持續加速下滑。

而當人下滑至滑梯最底端滑出段之前,速度到達一個最大值,依據慣性定律,滑梯上的人將以這個速度進入平坦的滑出段。

當人下滑至滑梯最底端滑出段之前,速度到達一個最大值,依據慣性定律,滑梯上的人將以這個速度進入平坦的滑出段。圖/作者提供。

在物理學中,慣性的定義為物體抵抗其運動狀態被改變的性質,也就是物體會持續以現有的速度運動,除非有外力迫使改變其速度,在這個例子中的外力就是出段的摩擦力。由於滑出段是一個平面,此時重力的作用不再造成他的加速,假設滑出段的摩擦係數與滑道相同,那麼如果滑出段夠長的話,他終將會因為摩擦力而停下來不再繼續滑動。

滑不動、或是讓人撲街滑梯是怎麼一回事?

德國慕尼黑|特公盟李玉華提供

當然,廠商在製作溜滑梯時,通常不會精準計算需要多長的滑出段才足夠使人完全停止,一般只會要求長度符合法規來設計即可 (依照CNS12642,滑出段長度應為28公分以上)。所以,當你來到一個設有筆直型滑梯,且材質為磨石子或不鏽鋼的公園,你會發現你的孩子或你在溜下滑梯時往往是煞不住車地衝出滑梯,最後結果通常是以下這幾種:

  1. 雙腳成功著地,完美起身。
  2. 臀部直接落地。
  3. 腳著地但雙手和膝蓋也跟著著地呈跪姿或趴姿。
  4. 往前翻滾一兩圈才停止。

如果很不幸的是後面三者,疼痛程度會依據不同舖面材質而各異。

根據許多人的經驗發現,跌在鬆散材質的舖面 (例如:沙、木屑、礫石) 會比跌在橡膠材質舖面來得不痛,這是因為掉落在鬆散材質上會產生較大的變形或移位,而能吸收衝擊能量,再加上變形過程中產生更多的緩衝點也利於衝擊動能的吸收,這也是為什麼我們一直不斷推行鬆散材質舖面的原因之一。

圖/pixabay

走訪過許多公園的人可能也會發現,有些磨石子或不鏽鋼材的筆直型滑梯比較不會讓人飛出去,可能原因有這幾種:

  1. 斜度不大 (滑梯角度較平緩)。
  2. 摩擦力較大 (滑梯較不滑)。
  3. 滑出段較長。
  4. 滑出段終點高度趨近於零 (出口端貼地或幾乎貼地)。

當孩子在溜前面兩種滑梯時可能會跟你抱怨「滑梯不滑」、「滑梯根本溜不動」,因此我們可以得知滑梯在設計上若是斜度過緩、表面不夠光滑,就會變成一個溜不動、不有趣的滑梯。

關於第三點在文章前面已經有提過,如果滑出段夠長的話,會使滑下的人停住;反之如果過短,例如低於法規要求的28公分,在設計上會有很大的瑕疵,導致使用者溜下時沒有足夠的反應時間而衝出滑梯,使得發生意外的可能性相對升高。

對於最後一點大家可能就產生了疑惑:

既然滑梯出口的高度落差會讓人有蹬屁股的可能,那為何還要這樣設計呢 (為何滑出段要有終點高度呢) ?

這裡要談到「遊戲場設備規範」,很多人以為,滑梯的出口與地面有落差,是「設計不良」而會造成危險。其實並非如此,在遊戲場的安全規範中,滑梯的出口必須留有高度,目的在讓溜下來的人可以雙腳著地起身,以便能加速離開滑梯出口,才不至於被後方溜下的人撞上。此法規中提到:滑梯高度若是在122公分以下,滑出段終點高度距離防護舖面需小於28公分;滑梯高度若是大於122公分,滑出段終點高度距離防護舖面需18~38公分。

能平穩溜下滑梯的關鍵是什麼?

丹麥哥本哈根|特公盟李玉華提供

溜滑梯時先在滑梯頂端入口處坐穩,做好下滑的預備動作及心理準備,開始下滑後軀幹上半部稍微往後傾斜,預期滑動時的衝力,並將雙腿膝蓋繃直、將足踝作足背屈曲(dorsiflexion)的動作,讓腳跟稍微抬離滑梯面,並提前準備著陸,拿捏好著陸的時間。

溜滑梯的過程需要針對環境需求做出適當的動作反應,亦即是動作計劃的能力。

據筆者自身與孩子的經驗來說,溜過幾個非常滑的磨石子滑梯,頭一次滑下來幾乎都是屁股蹬地,但是經過兩三次後就能掌握並習慣速度感,並且習得下滑時身體重心的調整,最終便能雙腳著地成功起身。

北海道國營瀧野鈴蘭丘陵公園的熔岩滑梯。圖/⟪蓉蓉 Enjoys Life⟫提供

溜滑梯很有趣,但安全也同樣重要!值得留意的一點是,不論是大孩子或小小孩,都不建議由大人抱著一起溜滑梯。根據研究顯示,家長將孩子抱在腿上一起溜時,過程中可能會發生孩子的腳被卡住的情形而導致受傷。

當遇上高度大於150公分的滑梯時,不建議讓三歲以下孩童獨自滑溜,陪伴者可協助衡量孩童個別身心能力發展狀態,由較低矮的滑梯開始練習,陪伴在側輔助其姿勢,或是在滑梯出口端等待,以便在發生重心不穩滾落或飛出時能及時接住孩子;大一點的孩子如果擔心害怕可由大人陪伴,適時給予協助與鼓勵,等他準備好了就可以放手讓他自行練習,相信不久他也能掌握其中的訣竅,並且還會創造出自己的各式玩法,享受與風競速的刺激與樂趣。

下次當你又帶著孩子去公園溜滑梯時,請注視著他爬上滑梯,走到滑槽入口,屁股坐穩,調整姿勢,接著深呼吸,咻~準備迎接溜滑梯帶給孩子滿足愉悅的笑聲吧。

台灣新竹|特公盟 授權

*作者介紹:

  • 作者 / 特公盟(還我特色公園行動聯盟)
    為了推廣多元特色的兒童遊戲空間,讓孩子能在專屬自己的空間中長成自己,特公盟這一群認真自學的媽爸及成員,除了把相關的法條和 CNS 國家標準中相關規定研究透徹,還進一步開始解構剖析設計相關各種細節,讓每一位公民參與的親子,都能成為兒童遊戲空間的專家。
  • 葉于莉
    大學化工系畢業後,卻以電腦工程師踏入職場,但仍心繫生物、動物學及化學等領域。成為全職媽媽後,轉而全心投入孩子,一天 24 小時相處下來,發現孩子可以不吃但不能不玩,原來遊戲對其身心發展無比重要,於是加入特公盟一起爭取兒童遊戲權、翻轉兒童遊戲場。

文章難易度
活躍星系核_96
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活躍星系核(active galactic nucleus, AGN)是一類中央核區活動性很強的河外星系。這些星系比普通星系活躍,在從無線電波到伽瑪射線的全波段裡都發出很強的電磁輻射。 本帳號發表來自各方的投稿。附有資料出處的科學好文,都歡迎你來投稿喔。 Email: contact@pansci.asia


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江山代有 B 肝出,各領風騷數千年—— B 型肝炎病毒的萬年演化史

寒波_96
・2021/10/22 ・4398字 ・閱讀時間約 9 分鐘

B 型肝炎是台灣很熟悉的傳染病,主要藉由血液、體液的交流傳染。它的歷史非常久遠,在世界各地普遍存在。新發表的論文報告:超過一萬年的人類遺骸中,已經能見到 B 型肝炎病毒(Hepatitis B virus,簡稱 HBV);各款遺傳品系萬年來起了又落,可謂各領風騷數千年。

古代 DNA 的研究,技術已經進步到可以由遺骸或環境樣本,定序裡頭所有的 DNA 片段。例如取自人類牙齒的樣本,定序不只能獲得人類的 DNA,也可能捕獲當事人生前口腔中的微生物。所以同一份樣本被定序後,可以進行不同目的之探索。

論文的 B 型肝炎病毒取樣地點、年代。A 為歐亞大陸的古代樣本,B 為美洲的古代樣本,C 為現代各地流行的基因型分布狀況。圖/參考資料 1

和人類一起移民美洲,獨立發展的 B 肝病毒

B 肝病毒以 DNA 為遺傳物質,被感染的人去世後,病毒的 DNA 可能保留在死人骨頭、牙齒中,因此有機會被偵測到。新問世的論文搜尋資料庫,在世界各地 137 個古代樣本中,偵測到 B 肝病毒的存在。

這批古代 B 肝病毒,年代介於距今 400 到 10500 年前,絕大部份位於歐亞大陸西部和美洲。將各款病毒擺在一起畫演化樹,美洲的古代病毒自成一群,和歐亞大陸的同類平行發展。

一直到數百年前歐洲人殖民以前,美洲的 B 肝病毒都自成一群,最古老的樣本距今約 9000 年,位於安地斯高地的 Cuncaicha 岩蔭遺址(CUN002)。

如今的 B 肝病毒被分為 10 種基因型,稱為 A 到 J 型。美洲流行的 H 型、F 型(genotype H、genotype F),便是這群病毒流傳至今的後裔。

現代、古代的 B 型肝炎病毒擺在一塊,畫出的演化樹。這兒估計的分家年代,相對比較晚。圖/參考資料 1

B 肝病毒的主要宿主是人類,大部分傳播會跟著人走。(北極區以外)美洲原住民的祖先從亞洲移民到美洲後,長期獨立發展,和其他地區缺乏交流。而美洲居民的 B 肝病毒也獨立演化超過一萬年,和人類遷徙、分家的狀況一致。

B 肝病毒在哪兒起源,有多資深?

美洲和歐亞大陸的 B 肝病毒,在什麼時候分家?論文對此不敢給出肯定的答案,也許是一萬多年前,也可能較接近兩萬年前。不過再怎麼說,都比智人祖先離開非洲的年代,要更晚許久。

過去有學者認為,B 肝病毒的歷史能追溯到數萬年前,智人離開非洲的時候。一大證據來自澳洲原住民感染的 C4 亞型(subgenotype C4),和同類分家 5 萬年之久。

但是這回估計 C4 資歷應該不超過 4500 年,遠遠比人類移民抵達澳洲的年代更遲。由此推論,C4 很可能是後來才抵達澳洲的。

根據現有資訊推敲,B 肝病毒的共同祖先頂多處於 2 萬年前。但是更早以前是否已經存在,卻在歷史洪流中失傳呢?目前無法判斷,需要更多樣本才能釐清。

傳染病同類的不同品系間競爭激烈,若是新秀徹底取代老將並不意外。B 肝病毒在歐洲一萬年來的發展史,便是鮮明的興替實例。

歐亞大陸西部不同年代,B 肝病毒的品系存在感,以及其演化關係。圖/參考資料 1

歐亞大陸西部,延續四千年的上古霸權

137 個樣本,大部分位於歐亞大陸西部,可以看出比較詳細的端倪。簡單說:江山代有病毒出,各領風騷數千年。

距今 9000 到 11000 年前,歐洲一帶有 2 款遺傳品系;隨後的 7500 到 9000 年前,其中一款完全消失(Mesolithic 1,下圖左紅色),只剩另外一款(Mesolithic 2,下圖紫色),最早出現在高加索北部,接著在歐洲各處,缺乏農業,不定居的採集狩獵族群中廣傳。

距今 7500 到 11000 年前之間,歐亞大陸西部的 B 肝病毒型號分佈。圖/參考資料 1

接下來四千年,也就是距今 3500 到 7500 年前,歐洲和中東幾乎完全被另一群病毒佔領(WENBA,下圖綠色)。論文推測此一品系,是在距今 8000 年過後的歐洲新石器時代,隨著中東農夫移民潮進入歐洲,廣傳各地。

歐洲最初的農夫移民源於安那托利亞(現在屬於土耳其),可是約一萬年前,唯一的安那托利亞樣本卻不屬於這款(上圖左淡紅色),不是 WENBA 品系的直系祖先。

可想而知,目前取樣很有限之下,無法精準判斷各品系起源的位置與年代。每個時期可能都有多款品系共存,我們只能見到,當時存在感比較高的少數代表。

距今 3000 到 7500 年前之間,歐亞大陸西部的 B 肝病毒型號分佈。圖/參考資料 1

距今約 5000 年前,青銅時代開始之際,歐洲又有大量移民湧入,能追溯到其東方的草原地區。但是人類族群的 DNA 組成明顯改變之際,B 肝病毒卻沒有變化。或許這時歐洲、草原流行的品系是同一款,你傳我,我傳你,還是看不出差別?

反正歐亞大陸西部在這四千年間,各地的人們不管生活方式、文化差異多大,大家都共享同一款 B 肝病毒!

B肝病毒的興替:霸權崩潰與轉移

盛極四千年的 WENBA 戰隊,距今 3300 年前過後卻幾乎消失。取而代之的是至今仍然存在的 A 型品系(Genotype A,上圖右紅色、下圖左紅色),已知樣本中距今 3500 到 5000 年前分佈於中東、高加索、歐洲東緣;隨後又前進歐洲,到 1500 年前還很有存在感。

接下來興起的是 D 型品系(Genotype D,下圖藍色),與 A 型共存一段時間後,從 1500 年前起成為歐亞大陸西部的新興霸權,從此一直延續到現代。

現代到距今 3000 年前之間,歐亞大陸西部的 B 肝病毒型號分佈。圖/參考資料 1

江山代有 B 肝出,WENBA 戰隊為什麼會徹底退出江湖呢?論文推測,多半和距今 3000 多年前的氣候、政治等劇變有關。

青銅時代晚期,地中海東部、中東一帶發生大規模的崩潰潮,周圍的歐洲、埃及動蕩不安(知名的特洛伊戰爭就發生在那個時期),數個重要的政權、勢力瓦解,社會秩序崩解。希臘的邁錫尼文明,黎凡特地區的烏加里特等城邦,安那托利亞的西臺帝國都不復存在。

在人類的經濟、政治強權崩潰,人群大洗牌的同時,B 肝病毒似乎也跟著霸權轉移。

青銅時代晚期的動盪局勢。圖/取自 wiki

上古霸權仍有後裔!卻是半殘的?

然而,在古代樣本沒有取樣到的地方,WENBA 戰隊仍有後裔持續傳承,衍生出 G 型品系(Genotype G)。如今它的存在感薄弱,遺傳多樣性很低,三千餘年來應該是悄悄地活著。

奇妙的是,G 型其實不算是健全的病毒,由於突變之故,它的核心蛋白(core protein)功能受到影響,而且無法生產「B 型肝炎 E 抗原(HBeAg)」,嚴重降低它的複製和感染能力。

曾經縱橫四千年的霸權,現存唯一後裔竟然是半殘的。但是 G 型也有其厲害之處:善於和其他病毒共生。現代的 G 型感染者,多數也同時是愛滋病患。而且 G 型品系的搭便車能力,很可能不是最近出現。

進一步考察非常驚人地發現,與其類似的突變缺失,其實古代樣本中相當常見:距今 3500 到 7000 年前,總共有 14 款略有差異的 B 肝病毒具有這些缺陷。

已知歐亞大陸西部的 83 位古代 B 肝宿主中,高達 22 人同時感染有缺失的病毒,以及健全的另一款品系(包括目前主流之一的 A 型)。半殘的 G 型品系似乎就靠著搭便車,一路前進到現在。

B 肝病毒的蛋白質組成。HBeAg 是關鍵成分,但是 G 型品系無法生產。圖/取自 wiki

B型肝炎的歷史,也是全人類的歷史

感染 B 肝病毒多半不會致命,長期帶原卻會影響健康,有時候後果非常嚴重,因此被列為公衛計畫的打擊目標。台灣成功根除 B 肝病毒,是偉大的公衛成就,每一位居民都因此受益。

上萬年來普遍與人共生的 B 肝病毒,其歷史也是人類的一部分歷史。至今古代 B 肝病毒的研究,取樣幾乎都來自美洲和歐亞大陸西部,其餘地區如東亞、東南亞、非洲的樣本極少。B 肝病毒在這些地方如何演化,也令人好奇。

延伸閱讀

參考資料

  1. Kocher, A., Papac, L., Barquera, R., Key, F. M., Spyrou, M. A., Hübler, R., … & Moiseyev, V. (2021). Ten millennia of hepatitis B virus evolution. Science, 374(6564), 182-188.
  2. Study traces the evolution of the hepatitis B virus from prehistory to the present

本文亦刊載於作者部落格《盲眼的尼安德塔石匠》暨其 facebook 同名專頁

寒波_96
156 篇文章 ・ 375 位粉絲
生命科學碩士、文學與電影愛好者、戳樂黨員,主要興趣為演化,希望把好東西介紹給大家。部落格《盲眼的尼安德塔石器匠》、同名粉絲團《盲眼的尼安德塔石器匠》。
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