0

0
0

文字

分享

0
0
0

學生建造的 Electric Blue 電動車創世界紀錄

only-perception
・2011/10/05 ・979字 ・閱讀時間約 2 分鐘 ・SR值 543 ・八年級

立即填寫問卷,預約【課程開賣早鳥優惠】與送你【問卷專屬折扣碼】!

 

一輛由 BYU 工程學生設計的電動車在其重量等級上,創下地面速度世界紀錄,在其二次必要的試跑(qualifying runs)中平均達到 155.8 mph,其中一次達到 175 mph。

這個里程碑標誌著超過 130 位學生、時間長達七年探尋的結果。學生們由 Perry Carter 所領導,他才剛以副教授的身分退休。

“在 BYU 與許多計畫上執教 31 年了,這是一個美妙的結束,” Carter 在這項紀錄獲得認證之後表示。”這是當中最棒的。我做到了!”

“這如同聖誕節早晨,” Jeff Baxter 說,此計畫的前任學生領袖,他回到 Utah 來見證創紀錄的試跑。”不過像五次 — 或是七次聖誕節早晨!”

在地面速度競賽行話中,車輛被稱為 streamliner(流線車),意思是它有修長、苗條的形狀以及被包覆的車輪以減少空氣阻力。在電腦上的風洞程式中塑模輕量化的碳纖維車體之後,學生們將其客製建造出來。空氣動力表現與磷酸鋰鐵(lithium iron phosphate)電池幫助這輛車達到它的高速。

Streamliner 具有一吋離地間隙(ground clearance)以及超寬迴轉半徑,只有像 Bonneville Salt Flats(邦納維爾鹽灘,美國猶他洲大鹽湖)這樣的地方才能讓它安全上路。Jim Burkdoll,Utah Salt Flats Racing Association 總裁,在二次創紀錄的試跑中(由 Southern California Timing Association – Bonneville Nationals, Inc. 認證)駕駛這輛車。

這輛 streamliner,名叫「Electric Blue(電子藍)」,在 E1 這個等級競爭,那包括重量不到 1,100 磅的車。因為電動車依賴沈重的電池,在這麼輕的重量下要設計一部高速車輛相當困難。這也是為何此一等級先前沒有認證過的加速跑,不過非正式標準可達 130 mph。BYU 團隊去年完成 139 mph 的試跑,不過第二次上路時卻失敗了,那時翻了車,損害了車體,但駕駛沒事。

參與 streamliner 計畫好幾年的學生,過半主修製造工程技術,約 40% 主修機械工程,而其餘人馬則來自其他不同學科。許多人把參與這輛車的製造當作是年度頂峰課程(annual capstone course)的一部分,但絕大多數都是不支薪的志願者。此計畫的主要贊助者是 Ira A. Fulton,此後,BYU 的工程暨科技學院以他的名字命名。

Kelly Hales 主修 BYU 電機工程,他來到 BYU 是為了預備投入電動車相關工作。他加入 streamliner 團隊並在 Baxter 於四月完成 BYU MBA 且在 一家太空探索公司工作之後接手,成為學生領袖。Baxter 是在協助開發 streamliner 之後,在職業生涯中獲致成功的眾多校友之一 — 有好幾位都以電動車或競爭激烈的賽車為業。

“修習音樂的學生需要參與演奏會,研修舞蹈的學生需要表演,而就讀工程的學生需要改造事物以及競賽,以明白它們如何運作,” Carter 說,團隊的導師。”體驗教育是每一個計畫的關鍵面。”

資料來源:PHYSORG:Student-built electric car sets land speed record at Salt Flats

轉載自only-perception

文章難易度
only-perception
153 篇文章 ・ 1 位粉絲
妳/你好,我是來自火星的火星人,畢業於火星人理工大學(不是地球上的 MIT,請勿混淆 :p),名字裡有條魚,雖然跟魚一點關係也沒有,不過沒有關係,反正妳/你只要知道我不是地球人就行了... :D

0

1
0

文字

分享

0
1
0
準備出國啦!Surfshark VPN 快趁黑五買起來,上網購物最安心
鳥苷三磷酸 (PanSci Promo)_96
・2022/11/01 ・2113字 ・閱讀時間約 4 分鐘

立即填寫問卷,預約【課程開賣早鳥優惠】與送你【問卷專屬折扣碼】!

 

本文由 Surfshark VPN 贊助。

兩、三年以來的防疫生活,終於迎來全面 0+7 的這一天啦!返國之後不再需要隔離的一天來了,冰友們,你是不是已經收拾好心情、收拾好行李,在進行機+酒的比價了呢?除了規劃好出國行程、找好景點與美食店家,想要讓自己不可或缺的網路生活也更加安全,一定要趁即將到來了感恩節黑五期間,把超優惠的 Surfshark VPN 服務買起來,為自己的網路生活加買最平安的保險!

Surfshark 黑五限時 18 折折扣,額外加送兩個月
專屬連結:https://lihi2.cc/8XwRN

在疫情下,網購成為了更多人的日常。不僅各樣的在地購物節為網友帶來眾多優惠,全球化的購物活動,台灣當然也不會缺席!美國感恩節(Thanksgiving)都是 11 月第四個星期四,但是感恩節後的週五,便是聖誕節前的購物佳期啟動日,這一天通常都會業績超標(在收支表上呈現正向收入(顯示為黑色字體,而非赤字的紅色字體),各家的瘋狂優惠都會在黑五祭出!相信許多精打細算的朋友,對黑五購物節絕對不陌生(很可能還搶過很多優惠!!)

網購怎能漏掉「亞馬遜」!

雅虎奇摩之於台灣,就像是亞馬遜(Amazon.com)之於美國那麼的有名!絕對也是什麼都賣、什麼都不奇怪的最佳代表。

如果你平常就很喜愛一些美國品牌,趁著黑五的日子到亞馬遜清空購物車,覺對優惠不會讓你失望。這時候,透過 Surfshark 連線到亞馬遜美國站,絕對會顯示的價格絕對讓你眼睛為之一亮,這時候最新搭載 M2 晶片的 iPad Pro,獨家支援動態島顯示的 iPhone 14 Pro,絕對是最好入手的時機。除此之外,亞馬遜平台經典的 Kindle 閱讀器,也是超合適的禮物,送禮自用兩相宜啊!另外要特別留意,購買時可以確認商品有沒有幫忙送到台灣,如果還沒有,可以先跟美國的朋友確認一下,邀請他們回國時幫你一起帶回來!

跨國追劇最爽快

對於喜愛追劇的朋友,品味可能相當豐富且多元,畢竟欣賞優秀影視作品,不現語言,更是不限地區啊!只不過,若是你訂閱 Netflix 等跨國 OTT 服務,都會有各地不同的上架影視作品,可能會讓你無法在第一時間就能夠立即「追」到劇,讓你等得心癢癢!還好這一切只要連上 Surfshark VPN 都能解決,Surfshark 支援超過 100 國的 VPN 連線,無論你想看韓國、日本還是哪一國的最新戲劇,通通讓你一秒追到最新進度!

Surfshark 黑五限時 18 折折扣,額外加送兩個月

專屬連結:https://lihi2.cc/8XwRN

出差大陸翻牆超方便

在過往出國、返國都需要隔離的階段,肯定讓不少工作上需要經常往返多國之間的朋友,感到生活驟變。所幸,在防疫政策解封之後,一切都可逐漸恢復正常。對於經常有需要到中國大陸出差的朋友,肯定都會感受到網路斷聯的不方便,因為無論是 LINE、Facebook Messenger、YouTube、Gmail 等你可很能天天都在使用的網路服務,大陸都無法使用。這還不打緊,連跟家人、朋友報平安也很不便。這時候 Surfshark 連上,就可以幫助你輕鬆「翻牆」,跟台灣親人網路無距離!

 

上網不留痕跡,不被追蹤最自由

對於一個人來說,最私密的資料之一,除了你的個資,就屬我們每天耗費大量時間逗留的網路。我們所在網路上留下的痕跡,絕對是超真實的自己,當然你不會期待這樣的自己被「搜尋引擎」、「網路廣告」公司了解得太透徹,好像你在網路上的一言一行,都被監視著。

..0000000\0;也可隱藏IP位置,避免被廣告商追蹤;更可以為你我阻擋惡意程式、釣魚軟體等,讓你防止被攻擊,以及被網路充斥的廣告打擾,好處多又多!

如果對於 Surfshark 還覺得不夠熟悉的話,不得不告訴大家,今年 Surfshark 榮獲第六屆 CyberSecurity Breakthrough 頒發的「VPN 年度最佳解決方案」(VPN Solution of the Year),也就是成為今年最推薦的 VPN 方案。CyberSecurity Breakthrough 是全球領先的獨立市場情報組織,致力於表揚當今全球資訊安全市場上的頂尖企業、技術和產品。有了他們「掛保證」,代表 Surfshark 絕對是品質、信譽都讓你安心的VPN 服務。

講了這麼多,是不是讓你感到很心動了。如果你原本就是網路重度使用者,用來上網的設備是樣樣都有,Surfshark 一個帳號就能支援所有設備,CP 值超高!趁著年度超狂黑五購物節的到來,送給你自己兩年安心無虞的網路生活,肯定是送自己的最好禮物!

Surfshark 黑五限時 18 折折扣,額外加送兩個月
專屬連結:https://lihi2.cc/8XwRN

文章難易度
鳥苷三磷酸 (PanSci Promo)_96
155 篇文章 ・ 268 位粉絲
充滿能量的泛科學品牌合作帳號!相關行銷合作請洽:contact@pansci.asia

1

12
9

文字

分享

1
12
9
為什麼在下雨天時,你不會被雨滴狠狠痛扁?
若芽_96
・2022/04/21 ・5518字 ・閱讀時間約 11 分鐘

立即填寫問卷,預約【課程開賣早鳥優惠】與送你【問卷專屬折扣碼】!

 

下雨天的時候走在路上,天氣涼涼的,聽著雨聲的感覺非常好。但是你有沒有想過,為什麼雨滴會從天上掉下來?

「啊!就像蘋果會掉到地面一樣,會受到重力的作用嗎?」你可能會這麼說。

好,那我們這邊就來帶大家算一下,一滴雨從高空落到地面,純粹只有受到重力時,應該是什麼樣子的感覺吧!

只有受到重力作用雨滴的運動分析

當不考慮空氣阻力時,由高空落下的物體全程會受到重力加速度值 g 的作用,而因為地表的重力加速度約為定值,以海平面且緯度 45º 為標準,其數值為 9.8m/s2 [1]。因此雨滴從高空落下時,可以視為一個單純的等加速度運動,而這個運動我們又稱之為自由落體

假設雨滴是靜止落下且受到重力加速度值 g 作用,即可根據等加速度運動公式,求得雨滴從高度 h 自由落下時的末速度值:

然而,在探討雨滴落下的末速度之前,我們必須對於雲的分類以及大致上的高度有一個基本的了解,才能比較明確地知道我們要探討的雨滴大概是從什麼樣的高度落下來的。

氣象學家 Luke Howard 於 1803 年中的著作《論雲的變形》(The Essay on the Modification of Clouds)中,按照不同雲的形狀、組成、形成原因,將雲分為 10 大雲屬,並且將這 10 大雲屬劃為三個雲族,分別為:位於距地表 6,000 至 7,000 公尺的高雲族,位於距地表 2,000 至 6,000 公尺的中雲族,以及位於距地表 0 至 2,000 公尺的低雲族[2]。另外,則還有橫跨了三個不同雲族高度的直展雲族,常常造成短暫但是相當豐沛的降雨量[3]

國際氣象組織所提供的基本雲的分類標準對照圖。圖/世界氣象組織[2]

按照國際氣象組織所提供的分類,以及 Luke Howard 的定義,天空中主要的降雨來源為積雨雲(cumulonimbus)以及雨層雲(nimbostratus),降雨來源以雨層雲較為常見,且其雲底多為 1,200 公尺以下。故我們這邊計算雨滴的高度時,便以 1,200 公尺作為高度的參考依據。

因此,當一滴雨從高空落下,代入前述自由落體公式,即可計算出雨滴理論上應該要有的末速度:

根據上述的計算式子可以知道,當雨滴從高處落下時,如果沒有任何的空氣阻力,雨滴落到地面的速度大約會是 153 m/s。

對於這個數字沒有感覺嗎?那這邊簡單地計算給你看一下,讓你有點 fu。但是在這個計算之前,首先我們要先對於雨滴的大小有個概念。

依照 2009 年的相關研究[4]顯示,小雨滴在降落時幾乎是圓形,可是隨著體積越大,就會變得越扁平,受到空氣的影響也會越明顯。當雨滴達到特定的大小時,就會被切割為較小的雨滴,也因此最大的雨滴直徑會被限制在 6 mm 左右。

而按照另一個研究[5]對於雨滴粒徑的分布探討,發現雨滴的直徑多數是落在 0.5 mm 至 4 mm 之間,也就是半徑 0.25 mm 至 2 mm 之間。

不同大小的雨滴受到空氣影響的形變研究示意圖。圖/Wikipedia [6]

這邊先姑且不論雨滴本身的化學成分所帶來的密度差異,以及落下過程中的密度和質量變化。因此我們可以簡單的利用密度、質量和體積的關係式,假設有一顆雨滴的成分皆為水,密度為 1 g/cm3,半徑 2 mm,且為均勻球體的情況下,計算這顆雨滴的質量如下:

接著,我們利用牛頓第二運動定律動量衝量的概念,來計算平均一顆雨滴所造成的衝擊力大小。這邊,我們假設你是淋雨的狀態,雨滴跟你的腦袋接觸的時間大約為 0.001 秒,且雨滴最後會完全靜止在你的腦袋上,也就是末速度為 0。

此時,造成雨滴會有速度變化的作用力有二,一為雨滴所受到的重力、二為腦袋給雨滴的正向力。根據牛頓第三運動定律,腦袋給雨滴的作用力,與雨滴給腦袋的作用力,為「作用力與反作用力」之間的關係。

那我們要怎麼知道雨滴對於腦袋的衝擊力有多少呢?

根據前面的假設,我們假設腦袋給雨滴的作用力使用變項為 N,可以列式如下:

雖然我們前面說,在計算正向力 N 時,應該要將重力納入考量,不過實際計算後會發現雨滴本身重量也不算大,相較之下,後面的重力項是可以忽略的,因此計算出來的衝擊力約為 0.52 kgw。

嗯?你說你還是沒有感覺嗎?再說白話一點好了,這個重量就差不多是一瓶 500 ml 的礦泉水壓在你身上的感覺。這只是單一顆雨滴,平常在下雨的時候絕對不可能只有一顆雨滴。一瓶礦泉水壓在身上其實是有感覺的,那很多雨滴下在身上,等同於很多很多瓶礦泉水壓在身上,那肯定也是非常有感。

修但幾勒,這個結論跟我們平常淋雨的感覺完全不同吧!那到底問題出在哪裡?

其實雨滴不只受到重力的作用

雨雲本身存在於大氣層的對流層內,而對流層內充滿很多空氣分子。當雨滴在這些空氣分子所形成的「流體」裡面移動的時候,會使得雨滴本身除了受到重力以外,還會額外受到空氣阻力(drag force)的作用。

在流體動力學中,在流體中移動的物體會受到一個和運動方向相反的阻力。這個阻力來自流體,會存在於兩個流體層之間,或者是流體與固體之間。可是,這和以往我們所學的固體和固體之間的摩擦力不同,因為物體在流體中受到的阻力其實是和物體移動的速度有關[7][8]

物體在流體中所受到的阻力,會受到物體大小、形狀、特性,以及流體性質的影響。阻力方程式(drag equation)概括了這些因素,描述如下[7]

其中,ρ 為流體的密度(如果是在空氣中,則是空氣的平均密度)、A 為物體在流體中的有效面積、v 為物體在流體中之速度;CD 則是阻尼係數,是一個沒有因次的數字,一般來說會跟物體的形狀以及雷諾數(Reynolds number)有關。

而雷諾數則是在流體動力學之中,流體慣性力(inertial force)和黏性力(viscous force)的比值,用來預測流體狀態的無因次物理量。對於不同的流體來說,雷諾數會有很多不同的表達方式,但一般來說都會包含流體的密度(density)、黏滯性(viscosity)、流體的流速,以及特徵長度或尺寸。

最基本的雷諾數可以表示如下[9]

其中,ρ 為流體的密度,v 為流體的平均流速、D 為特徵長度,而 μ 則為流體的黏滯性。

雷諾數低的時候,流體會呈現層流(laminar flow)的狀態。流體分子會在每一層中平順流動,相鄰層之間就像堆疊的紙牌,鮮少或甚至幾乎沒有混合,當然也不會產生漩渦[10]

相反地,在雷諾數高的時候,流體則是會呈現紊流(turbulent flow)的狀態,流體的流速跟壓力沒有一定的變化規律,流體分子也沒有明顯的平行層,很常會互相混合在一起[11]

圖 a 為層流的流線示意圖,而圖 b 則為紊流的流線示意圖。圖/SimScale [12]
黏滯力是一種流體受到外來作用力所產生的阻力,來源為液體內部的摩擦力。黏度較高的流體比較不容易流動,黏度較低的流體反之。本圖為不同黏性的流體所呈現出來的狀態模擬。左邊為黏性低的流體、右邊則為黏性高的流體。圖/Wikipedia [13]

扯遠了扯遠了,我們還是繼續回到原本的阻力方程式。

根據實驗觀察,在雷諾數較高,也就是流體的密度較大、流速較快,而且黏滯性較小時,阻力係數可以幾乎視為定值。此時,阻力就會跟流體流速的平方成正比,公式如下:

而在雷諾數低,也就是流體密度較小、流速較慢且黏滯性較大時,阻力係數會和雷諾數的倒數成正比,因此我們結合雷諾數本身的定義以及阻力方程式,就可以知道「在雷諾數較低時,阻力與流速之間的關係為線性關係」,公式如下:

依照前面講過的阻力方程式和流速之間關係的背景知識,讓我們回到最一開始遇到的雨滴問題。

之前在分析雨滴的受力時,只有考慮到重力的作用,計算出雨滴自 1200 m 高的雨雲雲底落到頭上時,速度約為 153 m/s。在考慮到空氣阻力時,由於阻力與雨滴的運動方向恆相反,因此我們可以將雨滴的質量先以 m 作為變項,假設雨滴為正球形且半徑為 R,繪製雨滴所受到的力圖如下:

雨滴所受到的力。圖/筆者親繪

因為空氣阻力恆與物體運動的速度反向,而雨滴在落下的時候,速度一定是向下的,加速度也向下,故空氣阻力會向上。

阻力方程式中的 A 是投影的等效面積,在球形的雨滴中,即為上圖斜線部分,可以用半徑 R 和圓面積的公式來計算。此時,我們利用牛頓第二運動定律計算雨滴運動過程中所受到的加速度量值,來觀察雨滴運動的情形:

如果今天的流體狀況是屬於高雷諾數的情況(流體的密度較大、流速較快且黏滯性較小)時,則前述的式子可以下表示,並計算出加速度的關係式:

反之,如果是低雷諾數的情形(流體的密度較小、流速較慢且黏滯性較大),則前述的式子可以下表示,也順手計算出加速度的關係式:

從前面的兩條化簡式子,可以看出雨滴掉落時,不論雷諾數如何,速度漸大都將造成阻力漸大,並使得加速度漸小。當達到一定的速度時,雨滴就不再會有加速度,而是改以等速度的方式落下。此時,雨滴所具有的速度即終端速度(terminal velocity, vt)。在終端速度時,我們可以知道雨滴所受到的重力與拖曳力達到力平衡,因此可以根據不同的雷諾數而列式。高雷諾數的情況下所計算出的終端速度如下:

低雷諾數的情況下所計算出的終端速度如下:

我們這邊以高雷諾數的流體情形來考量大氣中的情況,與前面的條件相同假設,也就是雨滴為半徑是 2 mm 的正球體,雨滴密度主要成分為水,因此密度為 1000 kg/m3,而阻尼係數這邊我們根據雨滴的形狀和經驗公式簡單取 0.6 來概略估算[14]

利用高雷諾數的情況計算終端速度實際值時,會需要流體的密度。在這裡,我們討論的對象是空氣中的雨滴,故理想上(當然,這是很理想的情況下)可以使用理想氣體方程式來求出於 1 大氣壓、20ºC 時候的空氣密度,來代入終端速度的公式。

代入我們目前空氣的條件,也就是 1 大氣壓、20ºC 的情形,而這邊務必將所有單位都轉為 SI 制,加上理想氣體常數,此時使用的是 8.314。其中,M 為空氣的分子量,我們這邊使用 28.97 g 配合以上的條件代入計算[15]

將前述所得到的空氣密度數值,結合前面的其他條件,代入高雷諾數情況的終端速度公式,即可計算終端速度:

由計算結果可以知道,當考慮到空氣阻力時,雨滴會以 8.52 m/s 的終端速度落下,比起之前純粹考慮重力時,求出的 153 m/s 來說小了非常多,是原本的二十分之一。按照牛頓第二運動定律,這樣的雨滴打到腦袋時,對於腦袋瓜的正向力也會減為原本的二十分之一。如此一來,就比較像我們平常淋雨的情況了。

由前面的計算過程,我們可以明白從高空落下的雨滴不只有受到重力。能夠讓我們下雨天走在路上不被雨滴狠狠槌死的最重要因素,其實就是空氣阻力的功勞。同時,我們可以知道,造成雨滴落下的運動過程並非等加速度,而是變加速度運動。利用牛頓第二運動定律得出加速度的關係式後,也知道速度越來越大,加速度就會越來越小。在加速度為 0 時,則會以終端速度等速落下。

最後,讓我們來感謝空氣阻力,讓每一個人在下雨天的時候都能安心走在路上。

註解

所有討論 1
若芽_96
1 篇文章 ・ 2 位粉絲
因為人生想要追求知識跟技能樹的全開,而遊走在物理、法律、職業安全衛生、數位行銷、數據分析等各種不同領域的人。下一個領域會去哪呢?我也不知道,不過持續不停向前這是絕對必要的。個人網站:https://wakame.tw

7

46
4

文字

分享

7
46
4
雨水能否成為究極的致命武器?
科學大抖宅_96
・2021/01/19 ・2958字 ・閱讀時間約 6 分鐘 ・SR值 543 ・八年級

立即填寫問卷,預約【課程開賣早鳥優惠】與送你【問卷專屬折扣碼】!

 

大多數人對蚊子一定不陌生;若是出遊或睡覺的時候遇上它們,簡直欲哭無淚。根據估計,蚊子每年殺害約七十多萬到一百萬個人類,可謂動物殺手界第一把交椅,大幅打敗第二名的人類自己;但以愛護動物的同理心想想,其實蚊子的處境相當不容易,除了要躲避地球最強勢物種――人類的追殺,還有許多天敵;除此之外,天氣環境似乎也是潛在威脅:舉例來說,雨滴的重量最高可達蚊子的數十倍(不妨想像我們身在充滿上百公斤到數公噸雨滴的大雨中),那麼下雨天的時候,蚊子豈不是會被滂沱的雨水砸死?怎麼可能生存至今?

圖/Pexel

水滴撞擊蚊子的研究

針對上述問題,美國喬治亞理工學院(Georgia Institute of Technology)的台裔美籍科學家胡立德[1](David L. Hu)與其團隊,於 2012 年進行了詳細研究。事實上,要用雨滴砸中蚊子是相當艱鉅的任務;胡立德表示:

「我們首先做的事,是從我們大樓的三樓,將小水滴落在裝滿蚊子的容器內――你可以猜到那並不太管用,就像在玩你所能想像得到的、最糟糕的射飛鏢遊戲。」

所以他們改變作法:在實驗室內朝蚊子射擊水滴,並用超高速攝影機記錄下過程。

他們觀察到,蚊子並不是特意閃躲、也不是跟雨滴對抗,相反地,蚊子的翅膀或身體會被水滴影響,以類似搭便車的方式,順著水滴運動。團隊又簡單估計了在這種狀況下,水滴給予蚊子的施力,發現當水滴比蚊子重上許多的時候,蚊子受到的力約略和自身質量成正比。

因此,儘管在實驗中,水滴重達蚊子的二到五十倍,但因為蚊子不硬接水滴的打擊,質量又極小,所以承受的作用力並不高――蚊子堅硬的外骨骼完全能夠抵擋衝擊。

上排左圖:蚊子受到水滴撞擊產生角度偏轉;上排右圖為偏轉角度(縱軸)和時間(橫軸)的關係圖,粉色區塊代表蚊子和水滴的接觸時段。下排左圖:蚊子受到水滴撞擊產生向下位移。下排右圖為位移距離(縱軸)和時間(橫軸)的關係圖,黑色代表蚊子,藍色代表水滴。圖/參考文獻 1

即使如此,雨滴在特定狀況下還是可以對蚊子造成危害:若蚊子極度靠近地面飛行時被擊中,就可能來不及恢復正常飛行狀態,而被雨滴拖行撞擊地面。

雨滴傷不了蚊子,那能傷人嗎?

有了蚊子的研究結果,我們可以接續思考:人類在淋雨的時候不會像蚊子那般順著雨滴的方向移動,也不像蚊子或昆蟲有堅硬的外骨骼保護;雨滴的動能和動量在極大程度上,可謂毫不留情地都用來打擊我們脆弱的血肉之軀。那麼,雨滴能否對人類造成傷害呢?很明顯地,答案是:不能。

那又是為什麼?(/‵Д′)/~ ╧╧(翻桌)怎麼跟蚊子的狀況完全不一樣?簡單回答,就是雨滴的質量不夠大、速率不夠快。

雨滴的質量可以到多大?

既然水的密度大致上是固定的,變動不大,影響雨滴質量最主要的因素,就是它的尺寸。原則上,水滴要多大都可以,但仔細回想我們從小到大看過的雨滴,就算是尺寸最大的,直徑也幾乎無法超過五公釐。

在國際太空站的微重力環境下,水滴的尺寸可以很大。影/NASA Johnson

以往,科學家認為,雨滴在落下的過程中,會和周遭的其他雨滴碰撞,進而融合或分裂,最後形成我們在地上看到的雨滴尺寸。

然而,2009 年法國艾克斯-馬賽大學(Aix-Marseille Université)的科學家發表論文,確認雨滴的大小其實取決於其和空氣的作用:一旦雨滴在上空形成並落下,因為遭遇空氣阻力,過大的雨滴將難以維持形狀,而會分裂成小雨滴。

雨滴落下過程中的分裂示意圖。雨滴在直徑小的時候,約略成球形;雨滴的直徑越大,就會在空氣阻力的作用下變形得越厲害,最終導致分裂。圖/Wikipedia

不僅如此,研究團隊也對雨滴的尺寸上限進行推估,得出雨滴保持穩定、不分裂狀態的最大直徑約六公釐,基本上與實驗觀測和日常生活經驗吻合。因此之故,雨滴的質量絕不可能達到足以傷害人類的程度。

加速雨滴可行嗎?

就算雨滴的質量在現實中無法太大,我們仍然不需要放棄希望,只要你懂物理,物理就會幫助你:如果雨滴以極高速率落下,還是可以產生足夠動量,造成傷亡;在漫畫《航海王》裡就曾經出現過,擊發手上的水珠破壞岩石的劇情――不過,這真的可能嗎?

《航海王》中,反派角色擊發的水珠可以打穿岩石。

早在約莫兩千年前,羅馬人會在高處儲存大量的水,藉由一次全部釋放,將岩床上的覆蓋層沖刷掉,以尋找礦脈;這個技術現在稱為沖流探礦(Hushing)。十九世紀中葉,採礦者開始利用高壓水柱,直接把礦床噴到崩解,再進行洗礦,即為所謂水力採礦法(Hydraulic mining)

十九世紀採礦者利用水力採礦的照片。圖/Wikipedia

到了 1930 年代,人類已經能夠使用極細小的高壓水柱切割物品,稱為水刀(Water jet cutter)。隨著時代演進,我們能夠產生的水壓越來越強,水柱的威力也越來越大;換言之,只要速率夠快,水也可以很有破壞力。

這樣的話,雨滴又為什麼不會快到傷人的地步呢?原因仍然是前面提及的空氣阻力。當物體在流體中運動時,會感受到流體給予的反向阻力;物體的速度越快,阻力就越大。當物體因為重力而從空中落下,只要速度快到一個地步,空氣阻力就會大到抵銷重力的作用,此時該物體會以等速運動,稱為終端速度。

物體的終端速度和其質量、在流體中的截面積、以及流體的性質等都有關係。以雨滴而言,終端速度最高差不多每秒十公尺(每小時 36 公里),並不算快――於是也不可能造成人體傷害了。

大規模毀滅性武器夢碎

下雨是地球上大部分人都很熟悉的大氣現象,但雨之所以是我們習慣的那個樣子,並非理所當然,而是由背後深刻的物理學決定。單就結論而言,雨對昆蟲或人類都不具殺傷力,無法成為大規模毀滅性武器;反過來想,人類能夠生存到現在,或許就是我們不會被雨水傷害的最佳證據,不是嗎?

參考資料

註釋

[1] 其於 2015 年和 2019 年兩度獲頒搞笑諾貝爾物理學獎。

所有討論 7
科學大抖宅_96
35 篇文章 ・ 1117 位粉絲
在此先聲明,這是本名。小時動漫宅,長大科學宅,故稱大抖宅。物理系博士後研究員,大學兼任助理教授。人文社會議題鍵盤鄉民。人生格言:「我要成為阿宅王!」科普工作相關邀約請至 https://otakuphysics.blogspot.com/