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《〈柯南 零的執行人〉足球真能解決任何事?》——2019數感盃 / 國中組專題報導類佳作

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 2019數感盃青少年寫作競賽 / 國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。

  • 作者:鍾依庭/台北市立明倫高中

一、研究動機

去年紅遍全台的柯南電影——零的執行人,不但壓倒性強勢攻上日本全國票房榜首,創下觀影人數達1,289,000人,票房突破16.7億円(約新台幣4.67億元),創下系列作品首週票房最高紀錄!我們就來一探柯南拯救世界背後的數字究竟隱藏了多驚人的秘密吧!

二、前情提要

一開始,無人探測機-天鵝號,結束火星上採樣本的任務,即將返回地球,透過遠端操控程式修正衛星軌道,讓其脫離等速率圓周運動的軌跡,使其墜落地球,且墜落過程中,探測機本體會在大氣層中燃燒,僅讓直徑約4m的太空艙重返大氣層,之後本體的隔熱罩分離,降落傘會展開,預定將在日本近海的的太平洋上降落。

殊不知,兇嫌利用網路技術,駭入遠端操控無人機的程式,更改其墜落軌道,企圖讓太空艙墜落於警視廳。警方為了避免傷亡,將居民疏散並暫時安置在新興建造,位於東京填海地區的博弈塔中。另一方面,為了防止無人機墜落於警視廳,柯南與公安警察安適透利用阿笠博士發明的遙控型無人機,承載炸藥,飛向墜落中太空艙,於離地30000m的高空將炸藥引爆,藉由爆炸的能量改變無人探測機落下的軌道,希望讓其落入太平洋上,沒想到改變軌道後的太空艙,居然不偏不倚的朝向充滿避難居民的博弈塔方向飛去 !

此時,柯南乘坐安室的車,為了再次解決危機,朝向博弈塔的方向駛去,並開上了一棟20層樓高的興建中大樓,從頂樓以180km/hr的速度衝向空中,接著就是大家熟悉的場景,柯南利用一記射門,將足球踢向墜落中的太空艙,並成功讓其些微偏移原本的軌道,只有擦撞到博弈塔邊緣,對整體結構沒有很大的影響,成功化解了危機。

接著,就來探討這令人吸睛的過程,究竟有無可能發生?

三、禍從天降

根據每日頭條報導,以色列一無人太空飛行器高1.5米,直徑2米,重600公斤,若將所有太空艙視為一圓柱體且密度皆相同,接著由圓柱體積公式及密度公式 :

將無人探測機從宇宙失重落下的位置視為警視廳的正上方,離地30km處(也就是引爆炸藥的高度)的順時速度為10km/s,不計空氣阻力,重力加速度為10m/,炸藥爆炸時會改變太空艙墜落的方向。

將炸藥產生的能量視為水平衝擊,不影響鉛質落下的速度,爆炸釋放的能量會使太空艙進行水平拋射運動。接著由下圖可知,警視廳本部到博弈塔(東京填海地區)的直線距離為11.63km(約12km)。

google地圖與東京都港灣局公布的填海地區域圖之疊圖

三、禍不單行

爆炸後太空艙會因為炸藥衝擊而得到一水平方向的力,也就是說爆炸造成的平拋運動,不影響鉛質速度,爆炸前後落地時間不會改變。已知改變軌道的太空艙會撞上博弈塔,又太空艙在爆炸後第3秒末時(落地瞬間),要擊中相距警視廳(原落下位置))12km處的博弈塔,可以推算出爆炸後太空艙的水平速度為(km/s)。

太空艙落下過程示意圖(圖源 : 自己)

安室與柯南將車駛至高20層樓的廢棄大樓,高度約為3*20=60(m),柯南由離地60m高處將足球踢向墜落中的太空艙,假設柯南踢球的力道為鉛直向上,一顆普通足球的平均重量為440g,使球做一鉛直上拋運動,且足球與太空艙碰撞時,要讓太空艙產生1m的軌道偏離,也就是說球向上的鉛直速度要大到足夠讓太空艙鉛直下降的速度降低,使其落地的距離延後1m。若柯南所踢的足球接觸到太空艙的瞬間為落地前一秒,碰撞前,太空艙最後一秒的水平位移原為4km=4000m,碰撞後,要延後1m落地,也就是說,最後一秒內要行走的距離變成4000+1m。

利用動量守恆公式,可得4000 2400+0.44v=(2400+0.44) 4001,v = 9455.55m/s。

如果想讓太空艙偏離原本落下的軌道,柯南至少要讓一顆440g的足球產生將近10000m/s。那麼究竟需要多大的力道才能讓球產生比音速還快的速度呢?這個速度就連M16突擊步槍(子彈射出的速度為1450m/s)也無法超越。

假設柯南踢球時,腳與球的接觸時間為0.1s,接著可以利用衝量公式

當柯南對足球的鉛直施力大於41604.42N時才能讓太空艙產生1m的偏移,反之,若施以小於41604.42N的力,墜落太空艙就會擊中博弈塔,這樣是無法拯救在塔中避難的居民(還有小蘭)。

上述討論情形還是在沒有空氣阻力的理想情況下,若討論空氣阻力,也就是現實的情況之下,需要施比41604.42N更大的力,才有可能讓太空艙產生些許的軌道偏移。

五、大危機背後的數字

那麼,41604.42N的力量又有多大呢?如果對牛頓這個單位沒有概念的話,可以用1kgw=10N來換算,大約是4160.442kgw的重量,就連武林中的風雲人物李小龍,一也只能踢出700kgw的力量,再者以一個小學生的外表與肌肉量,想踢出超過4160kgw的力道,根本違反了人體工學,想做到幾乎不可能,但從成功的結果來看,應該要將一切歸功青山岡昌老師(名偵探柯南的作者)過人的想像力。

六、有朝一日

或許在未來科技的進步之下,宇宙並非遙不可及,但探索其奧秘的同時,勢必會有些負面的影響,例如大量的探測機要從宇宙帶回遙遠星球甚至星系的樣本,又或是突然有巨大太空垃圾撞擊地球時,一定會對地球造成傷害,但若科學家們能製做一台機器,讓某物體(例如足球)在極短的時間內獲得極大的加速度,藉此改變其落下的軌道,將能減少對地球的傷害。

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參考資料

 

 

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