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空氣動力模組,降低台灣自行車產業風阻

創新科技專案 X 解密科技寶藏_96
・2015/03/21 ・1333字 ・閱讀時間約 2 分鐘 ・SR值 561 ・九年級

文 / 陸子鈞

要是你在城市裡騎著U-Bike,一定不會在意自行車車體的風阻大小,因為身上那件波西米亞長裙所帶來的風阻,肯定大於車體本身的風阻。但要是你穿著車衣在賽道上騎著跑車想勝過其他選手,那麼肯定會在意自行車風阻所決定的關鍵毫秒。現在,競賽車隊想藉由風洞實測設計出低風阻的自行車,不必再遠赴海外了!

台灣的自行車產業名列世界前茅,近幾年的風潮使得自行車廠商從日常通勤,轉戰高單價的精品,其中一塊市場,就是競速用跑車。不過因為自行車廠商負擔不起風洞實驗室,因此要設計低風阻賽車時,都必須仰賴國外的設備。自行車中心的蔡博名經理說:「高單價精品自行車已經從過去主要追求的『輕量』,到現在一併追求低風阻,要是國內廠商無法跟上這波趨勢,很可能就失去了台灣自行車產業在國際上的位置。」

自行車中心蔡博名經理。
自行車中心蔡博名經理。

自行車中心的研發團隊,設計了一套自行車的空氣動力檢測平台,再借重位於成功大學的內政部建研所風洞實驗室來測量風阻,「空氣動力從過去應用在飛航設計、到後來的跑車,現在已經用到自行車上了,」但是飛機、跑車的空氣動力行為和自行車不一樣,因此需要另外開發。但光是測量空氣阻力並不夠,研發團隊還會針對測量的結果和模擬運算,提供建議讓廠商設計出風阻更低的產品,蔡經理解釋:「委請國外實驗室作風洞測試只能收到一份結果,空氣動力裡的know-how並不會透漏,廠商很難根據這樣的資料精進設計。」

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低風阻車架測試。
低風阻車架測試。

只要有適當的治具(將樣本固定在風洞設施裡的設備)這套技術從單一的零件,到選手連人帶車都能夠量測風阻。可是事情並沒有這麼簡單,自行車零件之間可能還會互相影響,「整車測量到的風阻,可不是單一零件測值的總和」,舉例來說,下管、前叉可能產生「渦流」,影響後面零件的空氣動力,而且還說不準是增加或者減少了整體的風阻。此外,像是飛輪只安裝在自行車的一側,所以需要整合整車的空氣動力資料,才能微調其他零件的設計來配合飛輪。蔡經理提到:「有些車架不是真的左右對稱,在設計上有眼睛看不太出來的差異。」

正在風洞中測試的選手。
正在風洞中測試的選手。
風洞中的煙霧吹過測試的選手。
風洞中的煙霧吹過測試的選手。

「風阻最大的來源是選手」,所以這套空氣動力平台也應用在許多人身部品的低風阻設計上。蔡經理拿出了一款外型特異的頭盔,他說:「像是這頂安全帽,因為導入空氣動力設計,還考慮到選手使用時的散熱、服貼,一頂定價7000多塊。」這定價就和一般的安全帽有明顯的市場區隔。還有像是車衣,因為速度、環境、姿勢不同,所以百米選手的「渦輪之速」或者菲爾普斯的「鯊魚裝」並不適用自行車選手,但是風洞實驗能夠模擬出自行車競賽時的風速或是不同攻角的風向,所以能夠設計出低風阻車衣。低風阻人身部品設計最大的困難在於必須平衡低風阻與舒適,「有些剪裁雖然能創造較低風阻,但可能會讓選手穿起來卡卡,」蔡經理補充說,而且有些低風阻的騎乘姿勢在比賽中禁止,這也要考慮進去。

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創新科技專案 X 解密科技寶藏_96
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快!還要更快!讓國家級地震警報更好用的「都會區強震預警精進計畫」
鳥苷三磷酸 (PanSci Promo)_96
・2024/01/21 ・2584字 ・閱讀時間約 5 分鐘

本文由 交通部中央氣象署 委託,泛科學企劃執行。

  • 文/陳儀珈

從地震儀感應到地震的震動,到我們的手機響起國家級警報,大約需要多少時間?

臺灣從 1991 年開始大量增建地震測站;1999 年臺灣爆發了 921 大地震,當時的地震速報系統約在震後 102 秒完成地震定位;2014 年正式對公眾推播強震即時警報;到了 2020 年 4 月,隨著技術不斷革新,當時交通部中央氣象局地震測報中心(以下簡稱為地震中心)僅需 10 秒,就可以發出地震預警訊息!

然而,地震中心並未因此而自滿,而是持續擴建地震觀測網,開發新技術。近年來,地震中心執行前瞻基礎建設 2.0「都會區強震預警精進計畫」,預計讓臺灣的地震預警系統邁入下一個新紀元!

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連上網路吧!用建設與技術,換取獲得地震資料的時間

「都會區強震預警精進計畫」起源於「民生公共物聯網數據應用及產業開展計畫」,該計畫致力於跨部會、跨單位合作,由 11 個執行單位共同策畫,致力於優化我國環境與防災治理,並建置資料開放平台。

看到這裡,或許你還沒反應過來地震預警系統跟物聯網(Internet of Things,IoT)有什麼關係,嘿嘿,那可大有關係啦!

當我們將各種實體物品透過網路連結起來,建立彼此與裝置的通訊後,成為了所謂的物聯網。在我國的地震預警系統中,即是透過將地震儀的資料即時傳輸到聯網系統,並進行運算,實現了對地震活動的即時監測和預警。

地震中心在臺灣架設了 700 多個強震監測站,但能夠和地震中心即時連線的,只有其中 500 個,藉由這項計畫,地震中心將致力增加可連線的強震監測站數量,並優化原有強震監測站的聯網品質。

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在地震中心的評估中,可以連線的強震監測站大約可在 113 年時,從原有的 500 個增加至 600 個,並且更新現有監測站的軟體與硬體設備,藉此提升地震預警系統的效能。

由此可知,倘若地震儀沒有了聯網的功能,我們也形同完全失去了地震預警系統的一切。

把地震儀放到井下後,有什麼好處?

除了加強地震儀的聯網功能外,把地震儀「放到地下」,也是提升地震預警系統效能的關鍵做法。

為什麼要把地震儀放到地底下?用日常生活來比喻的話,就像是買屋子時,要選擇鬧中取靜的社區,才不會讓吵雜的環境影響自己在房間聆聽優美的音樂;看星星時,要選擇光害比較不嚴重的山區,才能看清楚一閃又一閃的美麗星空。

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地表有太多、太多的環境雜訊了,因此當地震儀被安裝在地表時,想要從混亂的「噪音」之中找出關鍵的地震波,就像是在搖滾演唱會裡聽電話一樣困難,無論是電腦或研究人員,都需要花費比較多的時間,才能判讀來自地震的波形。

這些環境雜訊都是從哪裡來的?基本上,只要是你想得到的人為震動,對地震儀來說,都有可能是「噪音」!

當地震儀靠近工地或馬路時,一輛輛大卡車框啷、框啷地經過測站,是噪音;大稻埕夏日節放起絢麗的煙火,隨著煙花在天空上一個一個的炸開,也是噪音;台北捷運行經軌道的摩擦與震動,那也是噪音;有好奇的路人經過測站,推了推踢了下測站時,那也是不可忽視的噪音。

因此,井下地震儀(Borehole seismometer)的主要目的,就是盡量讓地震儀「遠離塵囂」,記錄到更清楚、雜訊更少的地震波!​無論是微震、強震,還是來自遠方的地震,井下地震儀都能提供遠比地表地震儀更高品質的訊號。

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地震中心於 2008 年展開建置井下地震儀觀測站的行動,根據不同測站底下的地質條件,​將井下地震儀放置在深達 30~500 公尺的乾井深處。​除了地震儀外,站房內也會備有資料收錄器、網路傳輸設備、不斷電設備與電池,讓測站可以儲存、傳送資料。

既然井下地震儀這麼強大,為什麼無法大規模建造測站呢?簡單來說,這一切可以歸咎於技術和成本問題。

安裝井下地震儀需要鑽井,然而鑽井的深度、難度均會提高時間、技術與金錢成本,因此,即使井下地震儀的訊號再好,若非有國家建設計畫的支援,也難以大量建置。

人口聚集,震災好嚴重?建立「客製化」的地震預警系統!

臺灣人口主要聚集於西半部,然而此區的震源深度較淺,再加上密集的人口與建築,容易造成相當重大的災害。

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許多都會區的建築老舊且密集,當屋齡超過 50 歲時,它很有可能是在沒有耐震規範的背景下建造而成的的,若是超過 25 年左右的房屋,也有可能不符合最新的耐震規範,並未具備現今標準下足夠的耐震能力。 

延伸閱讀:

在地震界有句名言「地震不會殺人,但建築物會」,因此,若建築物的結構不符合地震規範,地震發生時,在同一面積下越密集的老屋,有可能造成越多的傷亡。

因此,對於發生在都會區的直下型地震,預警時間的要求更高,需求也更迫切。

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地震中心著手於人口密集之都會區開發「客製化」的強震預警系統,目標針對都會區直下型淺層地震,可以在「震後 7 秒內」發布地震警報,將地震預警盲區縮小為 25 公里。

111 年起,地震中心已先後完成大臺北地區、桃園市客製化作業模組,並開始上線測試,當前正致力於臺南市的模組,未來的目標為高雄市與臺中市。

永不停歇的防災宣導行動、地震預警技術研發

地震預警系統僅能在地震來臨時警示民眾避難,無法主動保護民眾的生命安全,若人民沒有搭配正確的防震防災觀念,即使地震警報再快,也無法達到有效的防災效果。

因此除了不斷革新地震預警系統的技術,地震中心也積極投入於地震的宣導活動和教育管道,經營 Facebook 粉絲專頁「報地震 – 中央氣象署」、跨部會舉辦《地震島大冒險》特展、《震守家園 — 民生公共物聯網主題展》,讓民眾了解正確的避難行為與應變作為,充分發揮地震警報的效果。

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此外,雖然地震中心預計於 114 年將都會區的預警費時縮減為 7 秒,研發新技術的腳步不會停止;未來,他們將應用 AI 技術,持續強化地震預警系統的效能,降低地震對臺灣人民的威脅程度,保障你我生命財產安全。

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