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搭電梯上太空,再等一等!

科景_96
・2011/02/10 ・933字 ・閱讀時間約 1 分鐘 ・SR值 527 ・七年級
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國小高年級科普文,素養閱讀就從今天就開始!!

Original publish date:Jun 11, 2006

編輯 JR 報導

義大利科學家認為,奈米碳管恐怕撐不住太空電梯。

太空電梯(space elevator)是構想中往來地球與太空的一種交通工具。電梯攀附在全長大約10萬公里的強韌纜繩上,纜繩其中一端連接在地表基地站,另一端縛上平衡物,若能使整體的質量中心保持在地球的同步衛星軌道,這樣,電梯就能順著筆直的纜繩升降運送物資。而建造太空電梯的首要問題就是纜繩,不僅要強韌還要質輕。

自從奈米碳管問世後,立即成為纜繩的最佳選擇:若用最小的碳密度(1.3g/cm3)來計算,並以寬約1公尺,厚如薄紙的形態做為電梯纜繩,則需要有63GPa的應力強度。而根據張力實驗,用單一的奈米碳管,理想上可以承受平均100GPa的應力,高於電梯纜繩需求。不過壞消息是,科學家發現即使是目前品質最佳的奈米碳管,都免不了有缺陷-大約4微米會少一個碳原子。

義大利杜林理工學院(polytechnic of Turin)科學家Nicola Pugno 根據模式計算發現,存在的缺陷會造成纜繩強度下降至少70%,意思是纜繩實際強度可能會低於30GPa,無法支持太空電梯運作。Pugno的模式結果已有實驗支持:多數的奈米碳管纜繩,強度其實遠低於1GPa。這篇研究論文已張貼在arXiv【註】,並將刊登在7月號的物理期刊Condensed Matter上。

從百奈米級的奈米碳管組成10萬公里的纜繩,當中的原子缺陷將造成整體強度減弱,即使我們可以製造完美無缺的奈米碳管纜繩,仍無法避免營運時,纜繩因受到微隕石、軌道中的人造物體撞擊、甚至是高空氧原子的侵蝕損傷而降低強度。

向NASA提出太空電梯可行性計畫的Bradley Edwards認為:若將纜繩以更緊密的方式纏繞,將可藉由增加的摩擦力來提升纜繩強度。但是,達拉斯奈米科技學院科學家Ray Baughman反駁了這個說法,他的研究團隊以類似於Edwards構想的方式來纏繞纜繩,製造出的纜繩強度仍是低於1GPa。

現在不可行並不代表永遠行不了,搭電梯上太空,再等一等囉!

【註】Pugno et al., on the strength of the carbon nanotube-based space elevator cable: from nano- to mega-mechanics, arxive preprint server, http//xxx.lanl.gov/abs/cond-mat/0601668. (2006)

參考來源:

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科景_96
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【2022 年搞笑諾貝爾工程學獎】旋鈕大小與手指數之間的完美關係:轉動音量鈕需要用到幾根手指?
linjunJR_96
・2022/09/29 ・1641字 ・閱讀時間約 3 分鐘

國小高年級科普文,素養閱讀就從今天就開始!!

旋鈕多大才好轉?誰知道啊!

有些問題是生活中不斷遇到,卻從來不會加以思索的。像是當你在開車時調整車上的冷氣溫度,還有聽音樂時調整藍芽音響的音量與音色。此時,指尖所操控的旋鈕該做多大,才是最好轉的呢?

「誰知道啊!」你心裡這麼想。

這種日常體驗的問題看似微不足道,但其實就是產品設計和工業設計這類領域最關注的焦點,甚至能幫你贏得搞笑諾貝爾獎!

本年度的搞笑諾貝爾獎頒獎典禮在線上舉辦,表揚世界各地的研究者如何用專業能力探討奇妙的問題。今天要介紹的工程學獎,頒給了日本千葉工業大學的松崎元教授,以及他扎實的研究論文《如何用手指操控柱狀旋鈕》。透過實驗室中的實際測量,松崎教授紀錄了人們使用各種大小的旋鈕時,如何下意識地將不同手指放在不同位置來操作。

圖/Pexels

當我們看見一顆旋鈕,我們會透過目測其大小,來決定該用怎麼樣的手勢轉它。如果是直徑一公分左右的小旋鈕,我們會選擇只用拇指和食指來操作,更多的手指只會徒增不便;但如果是快十公分的大旋鈕,就需要動用四五根手指。這個決定不單純只是個人偏好,而是跟人類手掌和手指的構造有關聯。只有某種握法才是最舒服方便的。

此外,通常看到旋鈕就直接給它轉下去了,不會在旋鈕上面嘗試並修正來達成「最佳觸感」。也就是說,這個決策過程從小多次練習後,已經完全變成下意識的過程,只能透過實際測試結果來描繪。

下意識的選擇,只有做實驗才知道

在實驗室中,松崎教授的透明桌面上平放一個白色的圓形旋鈕,並請 32 名受試者順時針旋轉這個旋鈕,並從桌面下的攝影機捕捉人們手指的位置。旋鈕的直徑從七毫米到十三公分,總共 45 種。結果顯示,當旋鈕越大,動用的手指數量越多(一如預期)。只要旋鈕直徑超過五公分,大多數受試者便會開始使用五根手指。

根據所有受試者的統計結果,松崎教授整理出了上方這個十分優雅的圖表。標靶一般的同心圓代表各種大小的旋鈕。圖下半的粗黑直線是基準線,所有測試結果的拇指位置統一對齊這條線,以利進行比較。上方的四條曲線,由左到右分別是食指到小指的位置,虛線則是統計標準差(當然,實際上的實驗結果應該是一個一個離散的點,這裡簡單地用二次曲線進行擬合,比較好看)。

圖/參考資料 3

這張圖總結了不同旋鈕大小的情況下,人們手指位置如何變化。有趣的是,隨著旋鈕變大,四根手指的位置並非簡單地輻射向外,而是呈現螺旋狀。猜測是跟手掌張開並旋轉的方式有關。這種細微的趨勢不做實驗還真猜不到。

不是為了搞笑,每份研究都超認真

這份研究其實在 1999 年就已經發表,時隔二十多年獲得搞笑諾貝爾獎。儘管中文翻譯是「搞笑」諾貝爾獎,但是包括松崎教授在內的所有獲獎者,可是從來沒有要搞笑,而是以非常專業的態度在做他們的工作,這些研究成果也都發表在正式的期刊。自 1999 年的旋鈕研究之後,松崎教授又相繼研究了提袋握把和雨傘握把,可說是精通抓握之道的男人。

雖然得到搞笑諾貝爾獎,但研究內容都是超認真。 圖/GIPHY

松崎教授表示,他很樂見這個獎項讓更多人開始關注設計工程的領域。這門學問專注於探索人與物品之間的關係,並藉此創造最舒適的使用體驗,打造出實用的工業產品。

更多有趣的研究,請到【2022 搞笑諾貝爾獎】

參考資料

  1. Japanese professor wins Ig Nobel prize for study on knob turning
  2. Japanese researchers win Ig Nobel for research on knob turning
  3. 松崎元, 大内一雄, 上原勝, 上野義雪, & 井村五郎. (1999). 円柱形つまみの回転操作における指の使用状況について. デザイン学研究, 45(5), 69-76.
linjunJR_96
31 篇文章 ・ 481 位粉絲
清大理工男。不喜歡算數學。喜歡電影、龐克、和翻譯小說。不知道該把科普當興趣還是專長,但總之先做再說。

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孩子的身高怎樣算正常?——留意兒童生長激素缺乏症,及早檢查把握治療時機
careonline_96
・2022/09/29 ・2054字 ・閱讀時間約 4 分鐘

「小莉的身高都比同學矮,需要看醫生嗎?」看著一群小朋友玩耍,媽媽擔心地說。

「聽人家講大隻雞慢啼,過幾年就會長高吧?」奶奶發表意見。

「如果一直等,會不會來不及啊?」媽媽顯然相當憂慮。

究竟孩子的身高怎樣算正常?何時該就醫?哪些狀況需要補充生長激素?

什麼是兒童生長激素缺乏症?不治療會怎樣?

小朋友的成長與生長激素有關,生長激素由腦下垂體前葉分泌,並隨著血液循環全身,生長激素可以刺激骨骼生長、提升骨質密度、使肌肉量增加、促進脂肪代謝。

兒童生長激素缺乏症」可能是因為遺傳、腦部構造異常、放射治療等因素,造成生長激素分泌過少。罹患兒童生長激素缺乏症的小朋友會生長遲緩、身材矮小、肌肉無力、骨質疏鬆、牙齒發育較慢、運動能力較差。

我們的骨骼在生長板癒合之後,便會停止生長,如果沒有及時治療,便會造成終身影響。

身材矮小,何時應該就醫檢查?

在孩子成長過程中,一定要定期量身高、體重,並記錄在男孩或女孩的兒童生長曲線圖中,先比對橫坐標的年齡向上延伸,再比對縱座標之身高橫向延伸,然後在年齡與身高之交會點做記號,持續追蹤生長狀況。

一般而言,從國小至青春期,孩子的身高每年約增加 5 至 6 公分,直到生長板完全癒合為止。

如果發現孩子的身高比同性別、同年齡的兒童來得嬌小,身高落在兒童生長曲線圖中第三百分位以下且生長速率一年小於四公分,便要盡快至兒童內分泌科檢查。

懷疑兒童生長激素缺乏症,需要做哪些檢查?

導致生長激素過少的原因很多樣,必須進一步檢查釐清。經過兒童內分泌科醫師專業評估後,可能會安排生長激素刺激測驗、骨齡 X 光檢查、血液生化檢驗等,必要時還會安排腦部影像檢查、染色體檢查。

由於生長激素的分泌會呈現「脈衝式分泌」,主要在夜間分泌,所以無法靠隨機抽血來判斷身體分泌生長激素的能力,必須進行「生長激素刺激測驗」。

「生長激素刺激測驗」是藉由藥物刺激,了解生長激素是否能夠正常分泌。檢查時會先幫小朋友抽血並建立靜脈留置針,再給予口服藥或針劑,然後會間隔 15 至 30 分鐘抽一次血,依序檢測生長激素的濃度。

完成生長激素刺激測驗,大約需要 2 至 3 個小時。後續醫師便能根據生長激素濃度的變化,判斷小朋友分泌生長激素的功能。

兒童骨骼的生長與生長板(growth plate)有關,所以會幫小朋友安排骨齡 X 光檢查。骨齡 X 光檢查是拍攝左側手掌與手腕的 X 光片,藉由骨骼的形狀、生長板的癒合程度,來推算骨骼年齡。

由於生長激素缺乏症可能與遺傳、腦部構造異常有關,必要時醫師會安排腦部染色體檢查或腦部核磁共振檢查等,以幫助鑑別診斷。

如何治療兒童生長激素缺乏症?

針對兒童生長激素缺乏症,目前已可藉由補充生長激素來治療,幫助成年身高正常化。補充生長激素是利用皮下注射的方式進行,在經過醫療團隊的指導後,家中成員便可以幫忙注射生長激素。

提醒您,生長激素治療的成效與生長板有關,越早治療,預後越好,等到生長板完全癒合後,便無法繼續長高。如果發現孩子的身高比同年齡小朋友嬌小,一定要盡快讓兒童內分泌科醫師評估,把握成長關鍵黃金期。

除了遵循醫師的醫囑把握時機補充生長激素之外,維持良好生活習慣也能幫助小朋友長高,平時要攝取均衡營養、足夠的熱量,並少吃甜食,因為甜食、糖飲可能抑制生長激素分泌。

由於生長激素主要在夜間分泌,所以每天要有充足睡眠,最好在晚上十點前就寢。維持規律運動,例如跳繩、跳舞、籃球、游泳等,也可以刺激骨骼生長。

貼心小提醒

孩子的成長只有一次,身材矮小千萬不能等。在孩子成長過程中,請務必紀錄兒童生長曲線圖,持續追蹤生長速度,如果發現身高落在兒童生長曲線圖中第三百分位以下,請及早至兒童內分泌科就診,把握治療時機,幫助孩子自信成長!

careonline_96
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生兒子還是生女兒?動物性別決定靠光線、細菌、掉落地點,與腳程快慢!
Mirror Voice_96
・2022/09/28 ・3523字 ・閱讀時間約 7 分鐘

國小高年級科普文,素養閱讀就從今天就開始!!

本文轉載自 鏡好聽—知識好好玩節目

人類的性別,男女的比例接近 1:1,那其他動物也是如此嗎?我們是由染色體決定性別,大自然中又有哪些讓人意想不到的性別決定方式?由鏡好聽攜手國立自然科學博物館館長焦傳金博士,共同製作的 Podcast《動物好好玩》第三季第二集中,就談到了動物各種奇特的性別決定模式。問題看似簡單,但其實,動物界中有很多我們意想不到的性別決定方式!

以下文章摘自節目中的精彩內容:

動物的生殖系統不只 XY,還有 ZW、X0、 Z0 !

以人類而言,我們是由性染色體決定性別。雄性是 XY,雌性是 XX。

在現今的哺乳動物中,Y 染色體的長度遠小於 X 染色體,因此 Y 染色體上的基因數量遠少於 X 染色體。不過大約 1 億 6 千萬年前,XY 染色體上的基因數量是一樣的,但因為 Y 染色體上突變出一種性別決定基因,因此讓它出現差異。

人類男性的核型;可明顯看出,Y 染色體的長度遠小於 X 染色體(右下最後一對)。圖/維基百科

這個性別決定基因出現在 Y 染色體之後,它就跟其他成對的體染色體不同,也因此無法藉由基因重組,來互相交換遺傳訊息,即使有了缺損也無從補充。這導致了 Y 染色體持續退化,長度越來越短,基因數量也越來越少。目前人類的 Y 染色體長度已經不到 X 染色體的三分之一,基因數量也有很大的差別。

根據這樣的推論,未來 Y 染色體是否會完全退化消失呢?雖然我們無法預期人類 Y 染色體的命運,但已有學者發現,日本刺鼠和鼴田鼠已經完全失去了 Y 染色體,只剩下 X 染色體。他們雖然仍可正常維持雌雄兩性,但性別決定基因究竟是在哪一個染色體上,目前還沒有研究出來。

不過,生物界不只有 XY 系統,還有 ZW、X0 與 Z0 系統。在 XY 系統中,XX 是雌性、XY 是雄性,由 Y 染色體 /雄性來決定性別。但 ZW 系統則相反,ZZ 是雄性、ZW 是雌性,性別由 W 染色體決定,也就是雌性決定。鳥類就是屬於這一種系統,包括雞、鴨,另外蠶寶寶也是屬於這種 ZW 系統。

雞屬於 ZW 系統。圖/Pexels

至於 X0 ,意思是這個系統只有一個 X 染色體,沒有 Y 染色體,0 代表沒有。他們是由精子中是否有 X 染色體來決定性別,因為每一個卵一定有 X 染色體,當受精卵中有兩個 X 染色體,XX 為雌性,而X0 則為雄性。蝗蟲、蟋蟀這些直翅目昆蟲,都是屬於 X0 系統。

Z0 系統則相反,ZZ 是雄性、Z0 是雌性,決定關鍵在於卵中是否帶有 Z 染色體,也就是由雌性來決定性別。目前科學家已經發現,鱗翅目的昆蟲,像是夜間的蛾類就是屬於 Z0 系統。

霸氣女王蜂的儲精囊,還有靠積分制決定性別的劍尾魚

但昆蟲作為地球上種類與數量最多的生物,他們還有許多複雜多樣的性別決定方式。

決定蜜蜂性別的關鍵在於是否受精。圖/Pexels

像是蜜蜂大部分都是母的,但一個蜂巢中只有女王蜂有生殖能力,每年到了交配的季節,女王蜂就會離開蜂巢進行「婚飛」,與雄性的蜜蜂在空中交配。交配後的精子會暫時存放在女王蜂的儲精囊,由女王蜂決定是否讓她的卵受精。如果是受精卵,就會變成雌性的蜜蜂或是「工蜂」;沒有受精,則是雄性的蜜蜂。因此,決定蜜蜂性別的關鍵在於是否受精。生男或生女,通通由女王蜂自己做主!

除了蜜蜂,其他的社會性昆蟲,例如:螞蟻或白蟻,也都很類似,由受精與否的染色體數量來決定性別。如果有受精而獲得成對的染色體,就是雌性;沒有受精,只有一半的染色體,就會發育成雄性。

還有一些魚類也很特別,例如:劍尾魚和多種吳郭魚,他們不是全靠性染色體來決定性別,而是合成加總。因為細胞中的其他染色體上,也有性別決定基因,因此,決定性別的方式是看基因總量,如果受精卵中所有決定雄性的基因總量,超過了決定雌性基因的總量,就會發育成雄性,很像是比賽的積分制,哪邊多就脫穎而出。

總而言之,雖然有些動物是 Y 染色體決定,有些是 W 染色體,但這些都是由基因決定。這種生殖方式,性別比例通常是固定的。但還有另外一些動物,他們決定性別的方式就非常彈性!

更彈性的性別決定方法:氣候、光線、掉落地點

烏龜的性別是根據環境條件決定的。圖/Pexels

地球上早期演化成功的爬行類,如烏龜或蜥蜴,出生性別會由環境中的溫度來決定,換句話說,精卵結合時還是性別不明的狀態,等到胚胎中的性器官要發育,才會根據環境條件決定會生出男寶寶或女寶寶。

這是因為對這些動物來說,最好的生存策略,就是在氣候最合適的時候誕生體型比較大的雌性,這樣就可以在食物充份下,產生最多的卵,讓族群能夠大量繁殖。反之,若環境條件較差,則產生體型比較小的雄性,因為精子含的養分較少,細胞也較小,就算是惡劣的環境下也能產生足夠數量的精子,讓族群延續。

以海龜來說,海龜蛋要孵化時,沙灘與周圍環境的溫度會決定小海龜的出生性別。假如環境是 20℃ ~27℃ ,孵化出的全部都是雄性海龜,若是 30℃ ~到 35℃ 下,孵出來的小海龜則都是雌性,在 28℃ ~29℃ 之間,雌性與雄性的比例會各半。簡單來說,高溫環境會生出母海龜,低溫環境會生出公海龜,也就是所謂的「辣妹與酷哥」。

不過,也不是所有爬行類動物都是「辣妹與酷哥」型。鱷魚就剛好相反,他們的胚胎在 30℃ 以下孵化出的幾乎都是母鱷魚,若高於 32℃ 則大部分是公鱷魚。沙漠中的陸龜或蜥蜴也很類似,低溫時才會產生雌性。因為在沙漠中,高溫會造成食物缺乏,所以在低溫的雨季更適合生出雌性,讓族群大量繁殖。

除了溫度之外,還有一些動物非常特別,性別是由光線決定。例如,中國特有的揚子鱷 (又稱做中華短吻鱷),主要分佈在長江中下游地區,是世界上體型最細小的鱷魚之一。如果巢穴在潮濕陰暗的地方,就會孵化出較多的母鱷魚;若巢穴能曝曬到太陽,就容易生出公鱷魚。

揚子鱷是中國國家一級保護動物;IUCN 列為極危物種。圖/維基百科

寄生蟲又是另一種類型。他們的性別也會受到環境影響,但對寄生蟲來說,環境其實就是宿主的養分多寡。例如:許多線蟲是靠營養條件來決定性別,他們通常在性別未分化的幼齡期,就侵入了宿主體內,要是感染率低,也就是線蟲數量還不多、營養條件比較好時,多數線蟲會發育成雌性;但當感染率高,營養條件開始變差了,大部分就會發育成雄性。

還有一種生物更神奇,竟然是由另一種寄生的生物來決定性別。或許有人聽過一種叫做「鼠婦」的動物,他們是陸地上的甲殼類動物,生活在潮濕陰暗的環境,因為外型可愛,受到驚嚇時會捲成一團,所以也被當作懶人寵物來飼養。

鼠婦的性別是 ZW 系統, ZZ 發育成雄性,ZW 成為雌性。但有一種稱做「沃爾巴克體」的微生物會感染雌性的鼠婦,進而干擾雄性胚胎的生殖器官發育,讓所有的胚胎都變成雌性,就算染色體是 ZZ 也一樣。這樣一來,能決定性別的就不再是 W 染色體,反而由胚胎是否被細菌感染來控制。

最後,還有一種隨機的性別決定方式。有些寄生的甲殼類動物,他們竟然是用先後順序來決定性別。跑得比較快、先到達宿主的幼蟲,長得比較大,會發育成雌性;若腳程慢、更晚到達宿主的幼蟲,長得比較小,則發育成雄性。另外呢,有一種綠海洋蠕蟲更加隨興,就只看幼蟲掉在哪裡,如果直接掉在海底就發育成雌性,要是掉在雌性身體上則變成雄性,完全由命運隨機做主!

從動物的性別決定方式,不僅能看到不同的生殖策略,同時也影響了一個族群的性別比例。性染色體決定了哺乳類與鳥類胚胎的雌雄,爬行類動物的性別則由環境決定。這些性別決定模式,會影響一個族群的雌雄比例,也因此並非每一種動物都像人類一樣,男女比例大約是1:1,當雄性比較多或雌性比較多的時候,動物的生殖策略就會產生不一樣的應對變化。

《動物好好玩》收錄於 Apple PodcastSpotify 中的《知識好好玩》系列,歡迎關注追蹤,收聽更多精彩內容。

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