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想過河?涉水、游泳聽起來太普通,還有哪些浮誇的過河方式?——《這麼做就對了!最ㄎ一ㄤ的生活科學指南》

天下文化_96
・2020/02/18 ・2669字 ・閱讀時間約 5 分鐘 ・SR值 488 ・五年級

  • 作者/蘭德爾‧門羅(Randall Munroe);譯者/黃靜雅

人類喜歡住在河流附近,這代表我們常常發現自己需要過河。

過河最簡單的方法是「涉水而過」,意思其實就是「假裝河不在那裡,一直走一直走,走多遠算多遠」。

圖/天下文化提供

在河水很淺的地區,人們通常會試著涉水過河,但即使是淺水,也可能會有令人意想不到的危險。水的流速有多快,不太容易判斷,只要深及腳踝的水,就能把人沖得連站都站不穩。

圖/天下文化提供

如果河水太深,無法涉水而過,你可以試著游泳過河。但游泳是否行得通,很大程度取決於河的狀況。如果河水太湍急,你可能會被水流沖到下游,或是被吸入急流或障礙物底下。

會游泳的普通人(但不是游泳選手之類的)游速可能是每秒 2、3 公尺。這比有些河快很多,也比有些河慢很多,河水的流速從每秒不到 0.3 公尺到每秒超過 9 公尺不等。

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假如河流是理想化的水域,以固定的速率沿直線流動,很容易就可以算出游泳過河所需要的時間,因為你可以直接游向對岸,忽略水流不計。游泳過程中,流速較快的河流會把你帶到下游較遠的地方,但你仍然會在相同的時間內游到對岸。

圖/天下文化提供

不幸的是,真正的河流並不是以均勻的速率流動。水的流速往往在河的中間比在河的邊緣更快,在河面比在河底更快。流速最快的地方通常位於河流最深處的上方、略低於水面下。河底平滑均勻、沿直線流動的河,其速率可能像這樣:

圖/天下文化提供

河床有寬平區域也有深水道,看起來可能比較像這樣:

圖/天下文化提供

如果你試圖游過這種河,你的路徑看起來會更複雜。而且,真正的河不會以直線流動。河裡有小漩渦、大漩渦和來來回回的曲流。在真正的河裡,你可能會發現水流不斷把你推離河岸,或把你捲入河底,或把你沖到下游的瀑布。

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聽起來挺危險的。我們還是來看一些別的方法吧。

跳遠過河法

如果游泳過河吸引不了你,你可以試著跨越它。如果河夠小的話,最簡單的方法就是跳過去。

圖/天下文化提供

有個簡單公式可以算出,在理想條件下,拋射物以斜角發射可以飛多遠。

\(距離= \frac{速率^{2}}{重力加速度}\)

你能跳多遠,確切的距離取決於你的跳法、起跳、落地的細節,但可能的距離是多少,這個公式提供了相當實際的估計值。根據公式,如果你以時速 16 公里起跑,預期可跳過的間距達到 2 公尺左右。這證實,以非常小的河來說,跳過去絕對是個選擇。

你可以藉由提高速率來增加距離,這就是為什麼跳遠冠軍有時候也是短跑冠軍,某種意義上,跳遠選手正是擅長於「突然向上騰起而不是向前衝刺」的短跑選手。最厲害的跳遠選手可以跳出將近 9 公尺的距離,這代表短跑速率在起跳前一剎那加速到時速 32 公里以上。

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自行車比短跑選手更快。如果你騎一輛很棒的自行車,用力踩踏板,或許能加速到時速 48 公里左右。以這樣的速率,你可以跳過 18 公尺寬的河(理論上)。

圖/天下文化提供

不幸的是,由於能量守恆,如果你起跳的時速是 48 公里,當你在對岸降落時,你的時速也會是 48 公里。這樣太快了,很容易造成嚴重或致命的傷害。在寬度「超過」18 公尺的河上嘗試這種特技,實際上可能比較安全。

如果你試圖跳過 24 公尺寬而不是 18 公尺寬的河,你會在「靠近對岸的水裡」降落,這樣對你的身體造成的傷害,大概會比「在堅硬的地上」降落來得不嚴重。

圖/天下文化提供

至少,假設水夠深的話。

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更快的車子當然可以跳得更遠。時速 96 公里的汽車理論上可以跳過將近 73 公尺寬的間隔。然而,汽車以時速 96 公里降落,這不太可能。

圖/天下文化提供

飛車手克尼維爾(Evel Knievel)藝高人膽大,他因為騎摩托車飛越各種東西而出名,廣為人知的是,他曾嘗試騎火箭自行車飛越蛇河峽谷(Snake River Canyon)。由於法律因素,火箭自行車技術上被歸類為飛機。克尼維爾在職業生涯中究竟斷過幾根骨頭?這點眾說紛紜。但是他的「摩托車跳躍成功次數:骨折」比值並不大,可能還不到 1。

圖/天下文化提供

仔細想一想,或許你應該把「跳遠過河」留給專業人士,說不定專業人士也決定不要做這種事。

「掠水過河」法

人無法在液態水的表面上行走,至少在沒有科技或超自然力量的幫助下不行。

有些影片在網路上爆紅,影片中的人跑步過水、騎自行車過水或騎摩托車過水。所有這些特技背後的基本原理很簡單:如果你跑得夠快,當你碰到水的時候會滑過去。這些影片之所以爆紅,往往是因為至少它們看起來像真的一樣,直到惡作劇的始作俑者坦承,或是科普節目「流言終結者」(MythBusters)去嘗試,事情才真相大白。

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哪些類型的特技是真的、哪些是假的,以下是簡單的概述:

圖/天下文化提供

赤腳滑水的人都知道,為了保持在水面上,你的腳相對於水需要以大約時速 50 或 60 公里移動。就算是博爾特的飛毛腿,當他在衝刺時也沒跑那麼快。

自行車也不行。你試都不用試,只要問問經驗豐富的自行車手就能搞清楚。自行車手可以告訴你,自行車和汽車不一樣,自行車通常不會「打滑」。自行車或許會在潮濕的路面上摔倒,但由於車輪的彎曲形狀把水往兩邊推,所以自行車輪胎不會因為「抓不到地」而在一層水的上面「衝浪」。

圖/天下文化提供

摩托車輪胎比較扁平、胎面有花紋,和汽車輪胎一樣,兩者都會打滑,「流言終結者」節目已經證實,這些輪胎也可以用來「過水」一小段距離,相當戲劇化。但這又讓我們回到飛車手克尼維爾的地盤了。

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當然,有那種專門設計用來行駛於水面的車子。

如果你有船,那是非常完美的方法。事實上,有些河有長期駐守的船隻,在兩岸之間為人們擺渡往返。

——本文摘自泛科學 2020 年 2 月選書《這麼做就對了!:最ㄎ一ㄤ的生活科學指南》,2020 年 1 月,天下文化

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天下文化成立於1982年。一直堅持「傳播進步觀念,豐富閱讀世界」,已出版超過2,500種書籍,涵括財經企管、心理勵志、社會人文、科學文化、文學人生、健康生活、親子教養等領域。每一本書都帶給讀者知識、啟發、創意、以及實用的多重收穫,也持續引領台灣社會與國際重要管理潮流同步接軌。

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ECU: 汽車大腦的演化與挑戰
鳥苷三磷酸 (PanSci Promo)_96
・2025/07/02 ・3793字 ・閱讀時間約 7 分鐘

本文與 威力暘電子 合作,泛科學企劃執行。

想像一下,當你每天啟動汽車時,啟動的不再只是一台車,而是一百台電腦同步運作。但如果這些「電腦」突然集體當機,後果會有多嚴重?方向盤可能瞬間失靈,安全氣囊無法啟動,整台車就像失控的高科技廢鐵。這樣的「系統崩潰」風險並非誇張劇情,而是真實存在於你我日常的駕駛過程中。

今天,我們將深入探討汽車電子系統「逆天改運」的科學奧秘。究竟,汽車的「大腦」—電子控制單元(ECU),是如何從單一功能,暴增至上百個獨立系統?而全球頂尖的工程師們,又為何正傾盡全力,試圖將這些複雜的系統「砍掉重練」、整合優化?

第一顆「汽車大腦」的誕生

時間回到 1980 年代,當時的汽車工程師們面臨一項重要任務:如何把汽油引擎的每一滴燃油都壓榨出最大動力?「省油即省錢」是放諸四海皆準的道理。他們發現,關鍵其實潛藏在一個微小到幾乎難以察覺的瞬間:火星塞的點火時機,也就是「點火正時」。

如果能把點火的精準度控制在「兩毫秒」以內,這大約是你眨眼時間的百分之一到千分之一!引擎效率就能提升整整一成!這不僅意味著車子開起來更順暢,還能直接省下一成的油耗。那麼,要如何跨過這道門檻?答案就是:「電腦」的加入!

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工程師們引入了「微控制器」(Microcontroller),你可以把它想像成一顆專注於特定任務的迷你電腦晶片。它能即時讀取引擎轉速、進氣壓力、油門深度、甚至異常爆震等各種感測器的訊號。透過內建的演算法,在千分之一秒、甚至微秒等級的時間內,精準計算出最佳的點火角度,並立刻執行。

從此,引擎的性能表現大躍進,油耗也更漂亮。這正是汽車電子控制單元(ECU)的始祖—專門負責點火的「引擎控制單元」(Engine Control Unit)。

汽車電子控制單元的始祖—專門負責點火的「引擎控制單元」(Engine Control Unit)/ 圖片來源:shutterstock

ECU 的失控暴增與甜蜜的負荷

第一顆 ECU 的成功,在 1980 年代後期點燃了工程師們的想像:「這 ECU 這麼好用,其他地方是不是也能用?」於是,ECU 的應用範圍不再僅限於點火,燃油噴射量、怠速穩定性、變速箱換檔平順度、ABS 防鎖死煞車,甚至安全氣囊的引爆時機……各種功能都交給專屬的 ECU 負責 。

然而,問題來了:這麼多「小電腦」,它們之間該如何有效溝通?

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為了解決這個問題,1986 年,德國的博世(Bosch)公司推出了一項劃時代的發明:控制器區域網路(CAN Bus)。你可以將它想像成一條專為 ECU 打造的「神經網路」。各個 ECU 只需連接到這條共用的線路上,就能將訊息「廣播」給其他單元。

更重要的是,CAN Bus 還具備「優先通行」機制。例如,煞車指令或安全氣囊引爆訊號這類攸關人命的重要訊息,絕對能搶先通過,避免因資訊堵塞而延誤。儘管 CAN Bus 解決了 ECU 之間的溝通問題,但每顆 ECU 依然需要獨立的電源線、接地線,並連接各種感測器和致動器。結果就是,一輛汽車的電線總長度可能達到 2 到 4 公里,總重量更高達 50 到 60 公斤,等同於憑空多載了一位乘客的重量。

另一方面,大量的 ECU 與錯綜複雜的線路,也讓「電子故障」開始頻繁登上汽車召回原因的榜首。更別提這些密密麻麻的線束,簡直是設計師和維修技師的惡夢。要檢修這些電子故障,無疑讓人一個頭兩個大。

大量的 ECU 與錯綜複雜的線路,也讓「電子故障」開始頻繁登上汽車召回原因的榜首。/圖片來源:shutterstock

汽車電子革命:從「百腦亂舞」到集中治理

到了2010年代,汽車電子架構迎來一場大改革,「分區架構(Zonal Architecture)」搭配「中央高效能運算(HPC)」逐漸成為主流。簡單來說,這就像在車內建立「地方政府+中央政府」的管理系統。

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可以想像,整輛車被劃分為幾個大型區域,像是車頭、車尾、車身兩側與駕駛艙,就像數個「大都會」。每個區域控制單元(ZCU)就像「市政府」,負責收集該區所有的感測器訊號、初步處理與整合,並直接驅動該區的馬達、燈光等致動器。區域先自理,就不必大小事都等中央拍板。

而「中央政府」則由車用高效能運算平台(HPC)擔任,統籌負責更複雜的運算任務,例如先進駕駛輔助系統(ADAS)所需的環境感知、物體辨識,或是車載娛樂系統、導航功能,甚至是未來自動駕駛的決策,通通交由車輛正中央的這顆「超級大腦」執行。

乘著這波汽車電子架構的轉型浪潮中, 2008 年成立的台灣本土企業威力暘電子,便精準地切入了這個趨勢,致力於開發整合 ECU 與區域控制器(Domain Controller)功能的模組化平台。他們專精於開發電子排檔、多功能方向盤等各式汽車電子控制模組。為了確保各部件之間的溝通順暢,威力暘提供的解決方案,就像是將好幾個「分區管理員」的職責,甚至一部分「超級大腦」的功能,都整合到一個更強大的硬體平台上。

這些模組不僅擁有強大的晶片運算能力,可同時支援 ADAS 與車載娛樂,還能兼容多種通訊協定,大幅簡化車內網路架構。如此一來,車廠在追求輕量化和高效率的同時,也能顧及穩定性與安全性。

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2008 年威力暘電子致力於開發整合 ECU 與區域控制器(Domain Controller)功能的模組化平台 /圖片來源:shutterstock

萬無一失的「汽車大腦」:威力暘的四大策略

然而,「做出來」與「做好」之間,還是有差別。要如何確保這顆集結所有功能的「汽車大腦」不出錯?具體來說,威力暘電子憑藉以下四大策略,築起其產品的可靠性與安全性:

  1. AUTOSAR : 導入開放且標準化的汽車軟體架構 AUTOSAR。分為應用層、運行環境層(RTE)和基礎軟體層(BSW)。就像在玩「樂高積木」,ECU 開發者能靈活組合模組,專注在核心功能開發,從根本上提升軟體的穩定性和可靠性。
  2. V-Model 開發流程:這是一種強調嚴謹、能在早期發現錯誤的軟體開發流程。就像打勾 V 字形般,左側從上而下逐步執行,右側則由下而上層層檢驗,確保每個階段的安全要求都確實落實。
  3. 基於模型的設計 MBD(Model-Based Design) 威力暘的工程師們會利用 MatLab®/Simulink® 等工具,把整個 ECU 要控制的系統(如煞車),用數學模型搭建起來,然後在虛擬環境中進行大量的模擬和測試。這等於在實體 ECU 誕生前,就能在「數位雙生」世界中反覆演練、預先排除設計缺陷,,並驗證安全機制是否有效。
  4. Automotive SPICE (ASPICE) : ASPICE 是國際公認的汽車軟體「品質管理系統」,它不直接評估最終 ECU 產品本身的安全性,而是深入檢視團隊在軟體開發的「整個過程」,也就是「方法論」和「管理紀律」是否夠成熟、夠系統化,並只根據數據來評估品質。

既然 ECU 掌管了整輛車的運作,其能否正常運作,自然被視為最優先項目。為此,威力暘嚴格遵循汽車業中一本堪稱「安全聖經」的國際標準:ISO 26262。這套國際標準可視為一本針對汽車電子電氣系統(特別是 ECU)的「超嚴格品管手冊」和「開發流程指南」,從概念、設計、測試到生產和報廢,都詳細規範了每個安全要求和驗證方法,唯一目標就是把任何潛在風險降到最低

有了上述這四項策略,威力暘確保其產品從設計、生產到交付都符合嚴苛的安全標準,才能通過 ISO 26262 的嚴格檢驗。

然而,ECU 的演進並未就此停下腳步。當ECU 的數量開始精簡,「大腦」變得更集中、更強大後,汽車產業又迎來了新一波革命:「軟體定義汽車」(Software-Defined Vehicle, SDV)。

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軟體定義汽車 SDV:你的愛車也能「升級」!

未來的汽車,會越來越像你手中的智慧型手機。過去,車輛功能在出廠時幾乎就「定終身」,想升級?多半只能換車。但在軟體定義汽車(SDV)時代,汽車將搖身一變成為具備強大運算能力與高速網路連線的「行動伺服器」,能夠「二次覺醒」、不斷升級。透過 OTA(Over-the-Air)技術,車廠能像推送 App 更新一樣,遠端傳送新功能、性能優化或安全修補包到你的車上。

不過,這種美好願景也將帶來全新的挑戰:資安風險。當汽車連上網路,就等於向駭客敞開潛在的攻擊入口。如果車上的 ECU 或雲端伺服器被駭,輕則個資外洩,重則車輛被遠端鎖定或惡意操控。為了打造安全的 SDV,業界必須遵循像 ISO 21434 這樣的車用資安標準。

威力暘電子運用前面提到的四大核心策略,確保自家產品能符合從 ISO 26262 到 ISO 21434 的國際認證。從品質管理、軟體開發流程,到安全認證,這些努力,讓威力暘的模組擁有最高的網路與功能安全。他們的產品不僅展現「台灣智造」的彈性與創新,也擁有與國際大廠比肩的「車規級可靠度」。憑藉這些實力,威力暘已成功打進日本 YAMAHA、Toyota,以及歐美 ZF、Autoliv 等全球一線供應鏈,更成為 DENSO 在台灣少數核准的控制模組夥伴,以商用車熱系統專案成功打入日系核心供應鏈,並自 2025 年起與 DENSO 共同展開平台化量產,驗證其流程與品質。

毫無疑問,未來車輛將有更多運作交由電腦與 AI 判斷,交由電腦判斷,比交由人類駕駛還要安全的那一天,離我們不遠了。而人類的角色,將從操作者轉為監督者,負責在故障或斷網時擔任最後的保險。透過科技讓車子更聰明、更安全,人類甘願當一個「最弱兵器」,其實也不錯!

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【成語科學】涇渭分明:古時的涇水、渭水分明現在還看得到嗎?誰濁誰清呢?
張之傑_96
・2023/09/27 ・1050字 ・閱讀時間約 2 分鐘

涇渭分明,是個很常用的成語,比喻界限清楚,或是非分明。讓我們先造兩個句看看。

這兩個政黨的主張,可謂涇渭分明,毫無妥協餘地。

他對是非善惡一向涇渭分明,沒人能影響他的看法。

接下來要說明這個成語的出處。《詩經.邶風》有句話:「涇以渭濁,湜湜其沚。」涇、渭是河川的名字。「涇以渭濁」,是說涇河因渭河而渾濁了。「湜湜其沚」,是說形容涇河的清澈。

當清澈的涇河,流入渾濁的渭河,起初清濁分明,形成了一道明顯的界限。這個自然現象,衍生出「涇渭分明」和「涇清渭濁」兩個成語。後者用來比喻人品高下或事物好壞顯而易見,限於篇幅,就不造句了。

涇河、渭河流域。圖/Wikimedia

那麼為什麼會涇清渭濁,或涇渭分明?在農業沒興起前,大地覆蓋著樹木或草原,河濱草木蔥蘢,這兩條河肯定都很清澈的。到了《詩經》時代,渭河流域已經開發,水土日漸流失,哪還能清澈?這時涇河流域的自然環境還沒破壞,所以河水仍是清澈的。

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然而,後來涇河流域也開發了,水也變渾了,甚至比渭河還要渾濁。這是因為涇河全程流經黃土高原,水土流失較渭河流域嚴重。唐代詩人杜甫在〈秋雨嘆〉詩中說:「濁涇清渭何當分」,可見當時涇河已經濯於渭河。

涇渭分明。圖/飛哥聊科學

那麼現在呢?由於渭河流域上游環境破壞,加上流失的土壤含有鐵質的關係,渭河的水色變得赤黃。因此涇渭分明仍然存在,但已成為水色一深一淺,而非一清一濁。

從涇河和渭河的水質變化可以看出,水土保持和河川的關係。以我們台灣來說,在清代時,許多河川都可以行船。以章老師居家附近的景美溪來說,清代時船隻可以沿著景美溪一直上溯到石碇。

然而由於集水區植被破壞,河川的水量減少,現今已沒有一條河川可以行船。西部地區除了河川水量變少,大多還遭到污染。當山洪爆發,滾滾泥沙傾瀉而下,往往造成土石流災害。

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那麼就沒辦法整治嗎?當然有。只要河川上游限制開發,沖進河裡的泥沙就會減少;下游不再導入污水,水質就會改善。以景美溪來說,如今河水已不再惡臭,除了耐污染的吳郭魚,還有鯉魚、塘蝨等生息呢!不過要恢復到清代那樣,河水豐沛得可以行船,恐怕已不可能了。

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不管在哪裡都行,教你拍出更酷的自拍照!——《這麼做就對了!最ㄎ一ㄤ的生活科學指南》
天下文化_96
・2020/02/20 ・1757字 ・閱讀時間約 3 分鐘 ・SR值 444 ・四年級

廣角自拍

這種使月亮顯得很小的廣角效果,同樣也會影響自拍的效果。

當某人用智慧型手機拍自己的臉時,他們的構圖本能可能會告訴他們把手機拿近一點,近到足以使自己的臉充滿整個鏡頭的絕大部分。但是在那樣的距離(通常比別人看你時站的地方近很多),智慧型手機的廣角鏡頭會產生很不自然的視角。

你的鼻子和臉頰比耳朵和頭部的其他部位更靠近鏡頭,使得鼻子和臉頰看起來比較大,正如在智慧型手機拍攝的照片裡,前景的建築物看起來比月亮大。這種「失真」(distortion)會使臉孔看起來和預期的樣子不太一樣。

為了減少這種效果,請將手機拿遠一點再變焦放大,可以在拍照時用相機的應用程式放大,或是拍完後再放大裁剪。

手機應該要拿多遠呢?為了盡量減少鏡頭裡多個物體之間的透視失真(perspective distortion),你和手機的距離,應該遠大於「手機與臉部最遠的距離」減去「手機與臉部最近的距離」。

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圖/天下文化提供

手機到臉部最近和最遠的五官的距離,兩者之間的差距可能不到 30 公分。也就是說,臉部的失真程度,端看你是把相機拿在離臉部正常的距離,還是手臂長長的伸出去。

將相機拿在離臉部 150 至 180 公分遠的地方,幾乎可以完全消除這種失真的現象,但是我們的手臂不夠長,這多少有助於解釋自拍桿的大受歡迎。

試試不同的視野,拍出更酷的自拍照

透視失真可能會改變臉部五官的相對大小,但還有另一種方法也會影響你的照片,這種方法可能會帶來各種前所未見的自拍照。

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當使用變焦放大時,會改變背景物體的外觀大小。如果你站在距離很遠的大型物體前面(例如一座山),照相機的變焦對於「山看起來有多大」可能有顯著的影響。

如果你設定好照相機的計時器,然後走到離照相機很遠的地方,就能把一座很小的山拍得看起來像是巨山一樣。

圖/天下文化提供

月亮自拍照

智慧型手機鏡頭的變焦範圍有限,但是如果你的照相機具有功能強大的望遠變焦鏡頭,便可拍攝一些非常有趣的自拍照。你甚至可以重現那些「月亮在天際線後方」的照片,不過是利用你自己的身體來拍,而不是建築物。

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我們可以利用幾何學來計算,照相機需要離你多遠,才能拍出「月亮在你的後方當背景」的照片。

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這個算式告訴我們,照相機要離你大約 183 公尺遠,才能拍出「月亮自拍照」。

圖/天下文化提供

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既然沒有人製造 183 公尺長的自拍桿,你可能要將照相機裝設在某種三腳架上,再用遙控的方式按快門。

像這樣的照片,要對準鏡頭可能會很麻煩;你需要找到一塊區域,有很高的地方可以站,而且在你與月亮之間要有長長的、一覽無遺的視野。月亮移動迅速,所以等到一切都對準了,你只有一小段空檔可以拍照,差不多 30 秒而已。只要短短兩分鐘出頭,月亮就會完全移出視線。

圖/天下文化提供

利用適當的濾鏡(如果你非常謹慎),你甚至可以拍攝類似的太陽自拍照。這樣可能會損壞照相機,所以在你嘗試拍攝之前,請先諮詢當地的天文俱樂部或攝影器材店。

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如果貿然行事,你很有可能會讓照相機著火。當你用照相機對準太陽時,絕對不要透過光學取景器觀看。你的眼睛和照相機也許功能不太一樣,但是都一樣很容易燒出破洞。(編按:危險動作,請勿模仿!)

圖/天下文化提供

——本文摘自泛科學 2020 年 2 月選書《這麼做就對了!:最ㄎ一ㄤ的生活科學指南》,2020 年 1 月,天下文化

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天下文化成立於1982年。一直堅持「傳播進步觀念,豐富閱讀世界」,已出版超過2,500種書籍,涵括財經企管、心理勵志、社會人文、科學文化、文學人生、健康生活、親子教養等領域。每一本書都帶給讀者知識、啟發、創意、以及實用的多重收穫,也持續引領台灣社會與國際重要管理潮流同步接軌。