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遁地巨獸:超大鑽機──《知識大圖解》

知識大圖解_96
・2015/08/13 ・1096字 ・閱讀時間約 2 分鐘 ・SR值 548 ・八年級

鑿穿山脈只靠幾把十字鍬絕對不夠力,本專題深入檢視隧道中的巨獸──潛盾機。

有時業界稱潛盾機為「大鼴鼠」,其用途為挖掘長距離隧道。潛盾機能採用不同的配置,以鑽鑿各式各樣的材質:沙子、泥土,甚至是堅硬的岩石。潛盾機有三個關鍵組件:鑽頭、液壓支撐系統與挖掘輸送帶,此外還有許多配件。

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本圖出自《How It Works知識大圖解 國際中文版》第09期(2015年6月號),全見版請點擊此圖放大。

鑽頭是一個散置著許多圓盤的金屬表面,當鑽頭360度旋轉時,會產生巨大的壓力將圓盤壓在開挖面上。圓盤切刃在旋轉過程中會磨削開挖面,使材質鬆動(無論是岩石或泥土)成細小微粒,俗稱「渣料」。磨削出來的渣料落入「料斗孔」裡,也就是鑽頭上通往一連串有蓋料斗的開孔。料斗收到渣料後,會將渣料送至巨大的輸送帶上;輸送帶系統向後延伸,貫穿潛盾機的主要機體。

潛盾機尾端的輸送帶把渣料運至儲放區,該區是於隧道內就地挖掘並通往地面的巨型坑洞。履帶式或輪式裝載設備會把儲放區的渣料挖起並倒進翻斗車;這種大型的傾卸車專門在隧道與地面之間來回穿梭,負責運送渣料到地面。

潛盾機的挖掘過程中,最重要的關鍵在於能否維持穩定。輻射狀的液壓撐臂固定在超大鑽機的機體上,向外推撐隧道壁,讓潛盾機保持平穩。撐臂一方面固定潛盾機,讓潛盾機繼續向前推進,另一方面也支撐著隧道的土石結構。潛盾機得到支撐後,從機體內部延伸出來的幾個液壓缸把鑽頭的圓盤切刃緊緊壓在開挖面上,並持續往前挖掘。

在建造隧道的過程中,潛盾機也是各項安全措施的平台。安全措施包括岩錨、金屬網、鋼樑支撐結構,以及潛盾機尾端噴灑噴漿混凝土所必備的泵與噴嘴。噴漿混凝土是一種砂漿/混凝土的溼式混合物,用來塗抹與加固隧道壁。這些任務都在潛盾機的工作區進行,這裡的環片、錨鑽與金屬網安裝器半自動地固定隧道,使工人得以安全作業。

鑽鑿歷史

在機械化鑽鑿設備問世前,隧道是以爆破搭配人力的方式進行挖掘,工人與設備都被關在極度危險且不穩定的新鑿隧道中。然而,第一批鑽鑿設備問世後並沒有改善工作環境,因為早期的系統仰賴水冷式壓縮機供應壓縮空氣,作為鑽頭鑽鑿泥土的動力。這種設備經常故障,導致多起深入山脈的挖掘意外。

其他早期的鑽鑿系統則完全失靈,例如1853年的威爾森專利鑿石機。這台由工程師查爾斯.威爾森(Charles Wilson)所發明的機器曾用來挖掘美國麻薩諸塞州的胡沙克鐵路隧道,但是僅挖了三公尺就故障、支離破碎。

 

 

本文節錄自《How It Works知識大圖解 國際中文版》第09期(2015年6月號)

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文章難易度
知識大圖解_96
76 篇文章 ・ 6 位粉絲
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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 ・ 490 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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特務電影成真:建築和地球結構都能透視的「渺子成像術」——專訪中央大學物理系郭家銘教授與地科系陳建志教授
科技大觀園_96
・2021/07/06 ・3396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!!

想像一下特務電影的經典橋段:主角成功潛入敵方基地,接著拿出他的神秘裝置,把它安裝在牆上,不到幾秒時間,基地內部的空間結構圖就全部呈現在螢光幕上。這種透視整座建築物的技術,讓電影展現了近未來的科幻色彩,那麼,在現實世界中,我們還有多久才能開發出這樣的技術?

「不用未來,事實上現在是可以的,但要幾秒那麼短的時間倒是不可能。」中央大學物理系的郭家銘老師說,只要利用「渺子成像術」就能做到,他和中央大學地科系的陳建志老師、電機系林祐生老師、中研院物理所林志勳老師執行中的計畫,就是在研究這項技術,不過他們透視的主要對象不是建築物,而是山體。

幫巨大物體照X光的新型成像術

說明渺子成像術之前,首先要介紹什麼是「渺子(muon)」。渺子是組成物質的基本粒子之一,最早在1936年被物理學家卡爾.安德森(Carl Anderson)發現,和電子一樣屬於輕子,兩者最大的不同之處在於,渺子的質量比電子重了約210倍,這點讓渺子具有很強的穿透能力。自然界中的渺子主要由外太空來的宇宙射線撞擊大氣層氣體分子後,經由π介子衰變來到地表,在你閱讀這篇文章的同時,也有無數的渺子從四面八方飛來,以接近光速穿過你的身體。

渺子是經由宇宙射線撞擊大氣層氣體分子後,由π介子衰變而來。圖/郭家銘教授、陳建志教授 提供

渺子的另一個特性是,在密度越大的物質中,它的能量損失得越快。在福島核電站的修復工程中,渺子探測的技術被用來從安全距離之外探測密度極高的鈾、鈈等放射性物質,以免修復人員受到輻射影響,這是其他成像技術無法做到的。而對於密度沒那麼高的建築物,或是山體、岩層等地球結構,渺子有可能穿透長達數公里的距離。渺子成像術的基本原理,就是分析不同角度探測到的渺子數目,再反過來推算探測目標內部各部份的密度,只要有兩個點的數據,就能建立三維的透視結構,就像是幫建築和山體照X光。以在的中央大學的圖書館來說,雖然無法像電影一樣在幾秒內成像,但也只要一週左右就能得到不錯的成果。

郭家銘老師說,渺子成像術在臺灣是個不常聽到的詞,但相關實驗在1950年代就已經出現,其中最有名的是在1960年代,研究團隊在沒有傷害金字塔結構的情況下,用渺子成像術找出了內部隱藏的密室。郭家銘老師則是在2014年,在西班牙的高能物理研討會得知這項技術。

「我做的是高能物理,常有人覺得我們的研究成果沒什麼應用價值,那時候聽到這樣一項報告,是可以在民生經濟上提供一些幫助的,聽起來就很酷。」郭家銘老師說,一般人覺得高能物理就是研究基本粒子,是很純的物理,但這個領域也對人類生活有不少貢獻。卡爾.安德森在發現渺子的同一年因為發現正子獲得諾貝爾獎,當時沒人知道怎麼應用,但現在正子被用來治療癌症,這就是從高能物理開展出的新技術,渺子成像術也是其中之一。

西班牙的會議後過了幾年,郭家銘老師有一名助教找到新型渺子探測器的論文,幫助兩名學生試著自行製作;兩年前剛好科技部推出鼓勵跨領域研究的沙克爾頓計畫,經過一番牽線,郭家銘老師找到了以前的鄰居陳建志老師,開始執行計畫,試著將渺子成像術應用在地球科學領域的探測上。

渺子探測儀。圖/郭家銘教授、陳建志教授 提供

「我們地球物理的研究者,一直都是用各種方法在地表測量物理場,去得知地底下的結構,各式各樣的探測技術都想要積極開發。」陳建志老師說,渺子探測出的物理量是岩體的密度,傳統的測量方式是重力測勘,但這種方式探測的對象往往是以數公里為單位,沒辦法做更細緻的探測。「以臺灣來說,我們很容易因為豪雨造成山崩,但這種事件不會無端發生,有潛在危險的坡體,在某些地方是破碎的,密度會比緻密、完整的岩層更小。像這種數十公尺級的對象,用傳統的重力法很難做得到,但渺子探測術能解析的空間非常細,就可以應用在這種地方,來找出有邊坡危害的土地。」作為一項發展中的新技術,渺子成像術可以探測的對象體積大,解析度可高達數十公尺,也不需要額外產生震波、電流等人工信號,有著各種讓陳建志老師期待的優點,但也理所當然地,有著許多要面對的挑戰。

初次應用實驗,為隧道工程探勘前路

由郭家銘、陳建志兩位老師主持的渺子成像術應用計畫,研究團隊含括了物理系、地科系、電機系等不同系所的成員,目前已經執行到第二年。在最初的一年半,團隊專注於兩個目標:新型探測器的研發,和反演算法的的發展。

郭家銘、陳建志兩位老師主持的渺子成像術應用計畫研究團隊。圖/郭家銘教授、陳建志教授 提供

郭家銘老師說,在高能物理這個領域,為了實驗寫程式、設計電路板是稀鬆平常的事。目前他們正在建造的探測器和傳統用於渺子成像術的探測器不同,體積更小,需要的電壓也從1000伏特減少到30伏特,用在戶外實驗的機動性更高。得到測量的數據後,還需要有個反演算法去回推觀測對象內部各部份的密度,這部份的技術則是由地科系的成員來持續完善。陳建志老師說,反演算法本來就是地球物理領域的重要技術,就像是把觀測對象拆解成一個個小方塊,根據不同位置、角度測量到得渺子數量,來推測每個方塊的密度。郭家銘老師在一旁開玩笑,說一般人對物理學家常有埋首計算的印象,沒想到這次合作下來,才知道地科系要懂的數學比物理系深不少。

經過了充分的測試後,團隊在2020年底開始現場探測的實驗。當時石門水庫的阿姆坪防淤隧道正在開挖,陳建志老師在現場做物理探查,剛好介紹團隊來施工現場探測。「這個隧道的鑽挖過程可能會遇到一段,地質上我們叫新店斷層的東西。新店斷層在阿姆坪這個位置的上方,有一層非常多的煤炭層,開挖過程會經常聚集沼氣,在工程上有高度危險。」陳建志老師說,隧道工程中有項作業叫前進探查,隨著隧道往前鑽挖,會持續探測前方岩體的材質。傳統的探查方式用的是力學波,但陳建志老師認為,渺子成像術有取代傳統方式的潛力,讓未來的隧道工程更加安全,便介紹團隊來到阿姆坪的施工現場,把探測器架設在開挖中的隧道前,持續測量渺子通過的數量。 

探測器架設在阿姆坪開挖中的隧道前,測量渺子通過的數量。圖/郭家銘教授、陳建志教授提供

由於垂直方向的渺子穿過的只有大氣層,當探測器對準正上方,測量到的渺子數量最多,而隨著探測器仰角越來越低,渺子要通過的障礙就越多,測量到的渺子會越來越少,而水平方向通過的渺子則是最少的。阿姆坪的地勢比預期中更平,雖然不至於無法探測,但就得增加探測器的數量,否則就得把實驗天數拉長,才能取得足夠的數據。

除了實驗時間必需拉長外,實驗本身進行得相當順利,至今已不中斷進行三個月的實驗。高能物理的實驗通常在室內進行,溫度和濕度都被嚴格控制,郭家銘老師原本對戶外實驗帶有不安,也確實遇到了電力系統不足等問題,但團隊很快地一一解決,新型的探測器也成功挺過溫濕度的劇烈變化,在日夜溫差動輒二三十度變化、晴天午後突然雷雨的環境中持續運作,確實達到了實際應用的標準,為完善反演算法提供了充分的數據。

經過了阿姆坪的實地測試,整個研究的研發階段已經可以宣告結束,正式進入量產階段。目前團隊搭建的探測器面積是20cmx20cm,未來除了增加數量,也準備建造更大的探測器,到沙克爾頓計畫結束時預計可以做成目前四到六倍大,目標則是目前的一百倍大,讓團隊能更快地測量山體、變更地點,增加掃描山體的效率。也許再過幾年,替山和建築物照X光的技術將不再科幻,深藏在地表之下的岩層和礦脈,都將透過渺子成像術輕易地呈現在我們的眼前。

參考資料

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科技大觀園_96
82 篇文章 ・ 1098 位粉絲
為妥善保存多年來此類科普活動產出的成果,並使一般大眾能透過網際網路分享科普資源,科技部於2007年完成「科技大觀園」科普網站的建置,並於2008年1月正式上線營運。 「科技大觀園」網站為一數位整合平台,累積了大量的科普影音、科技新知、科普文章、科普演講及各類科普活動訊息,期使科學能扎根於每個人的生活與文化中。

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換尿布?閃開,讓專業的來!全自動嬰兒換尿布機登場啦——2019 搞笑諾貝爾工程獎
Lea Tang
・2019/10/11 ・1939字 ・閱讀時間約 4 分鐘 ・SR值 471 ・五年級

國小高年級科普文,素養閱讀就從今天就開始!!

寶寶很可愛吧?但當說到換尿布,事情可就不是這麼一回事了。圖/pixabay

讓換尿布輕鬆如一門絕妙的藝術

照顧嬰兒是件勞心勞力的事。對爸媽或保母們來說,這「換尿布」可是一大工程。在正式進入主題前,先請各位做一個簡單的想像:

為寶寶換尿布時,大人一手扶持固定住嬰兒腿部,另一隻手汰換掉舊尿布。過程中嬰兒乖巧冷靜,面對觸碰毫無反應。於是照顧者用一種從容優雅的姿態,輕鬆完成卸除尿布、清潔及更換等步驟,一個拋物線把廢棄物丟進垃圾桶。

顯而易見,以上敘述均為理想狀態。現實生活中,家長可能會遭遇到嚎哭、劇烈踢動及隨手亂抓等各種突發狀況;此外,面對處於未知狀態下的尿布,更是需要堅韌的精神力。想要行雲流水的完成換尿布這件事簡直是一大考驗。

人家只是想要跟賽巴斯欽一樣高雅冷豔的換尿布,這也不行嗎?

圖/黑執事十八卷漫畫截圖

停止苦惱吧諸君,您們的心聲被聽見啦!

全自動嬰兒換尿布機

2019 年《搞笑諾貝爾工程學獎》得獎的是由伊朗科學家 Dr. Farahbakhsh 所發明的全自動嬰兒換尿布機(Infant washer and diaper-changer apparatus)。這發明不只科技感十足,它甚至擁有美國專利,未來可望提供更多選擇給有需要的人們。

透視起來長這樣。圖/全自動嬰兒換尿布機(Infant washer and diaper-changer apparatus)

全自動嬰兒換尿布機就如同字面上的意思,只要把嬰兒放入機器,它就能一機包辦固定嬰兒、移除好髒髒尿布、換上嶄新尿布及清洗屁屁等多個步驟,並且附帶省水技能。

這是台體積龐大的機器嗎?您可能會這樣想——但不,它輕量小巧、便於攜帶。最棒的是,尿布機還可以客製化,成為獨一無二、專屬於寶寶和家長的最佳解。

現在,趕緊來了解它是如何運作的吧!

別懷疑,就是這麼高科技

讓我們換個角度看看它。圖/全自動嬰兒換尿布機(Infant washer and diaper-changer apparatus)

全自動嬰兒換尿布機是由多項零件所組成:其中包含了一個主要的尿布更換室(110)、一個能提供親屬表達關愛之情的透明玻璃窗(112)、嬰兒座椅(114)、腿部固定器(116)及三道安全帶(118、120、122)。此外,移動式導軌(124)、廢棄尿布槽(126)、尿布拆卸手臂(128)、可調節式的窗簾(130)、兩個灑水裝置(132、134)、烘乾機(136)和兩組夾子(138、139)。

更換室的材質為鍍鋅鐵的外殼和不銹鋼(或耐水聚合物)製成的內層。設施後方設有馬達,方便機械在軌道上移動;上方的透明玻璃窗,則可以隔離周遭環境、防止水花噴濺並隔絕氣味,並讓操作員全程掌控換尿布和洗滌嬰兒的過程。

玻璃窗提供了最佳觀察角度,讓您看得更清楚。圖/全自動嬰兒換尿布機(Infant washer and diaper-changer apparatus)

那我們該如何操作呢?這也不難,在主更換室設備上將有一個可供操作的面板。不論是靠近玻璃窗、放在側面或是任何位置都可以,操作者可以藉由面板來開啟並關閉機器前門,進而起動其它功能。當然,前門也有設定成手動開關的模式,一切全憑個人喜好。

髒髒尿布到哪去?

是說您其實可以拿遠一點。圖/flickr

這個問題,貼心的博士也早就為各位想好了。

在主更換室內設有一個廢棄尿布的排出口:髒尿布在去除後會被棄置在出口箱,出紙槽的設計容易拆卸且方便清洗。至於嬰兒座椅上方的灑水器可以控制水溫與時間,寶寶在清洗完畢後會隨即被烘乾。

若嬰孩在換尿布或清洗的過程中感到不適,用戶能隨時停止。

全自動嬰兒換尿布機聽起來可能既冰冷又無情,但請放心,它提供了舒適的座椅,搭配可調節的織物與安全帶,防止寶寶從座椅上滾落下來,不但安全而且絕對舒服。

不限於嬰兒,忠實盡責的最好幫手

如前文所述,雖然名稱叫全自動「嬰兒」換尿布機,但它的零件大小與尺寸都可以做調整。也就是說,替殘疾人士或是長者更換尿布與清潔是絕對沒有問題的。

聽起來好像很不錯餒。圖/pixabay

還在為換尿布這件事感到困擾?想要乾淨俐落的完成清潔寶寶屁股的重責大任?有了這台全自動嬰兒換尿布機,不必親手碰觸到嬰兒及使用過的尿布,您只需等待——中間不妨泡杯卡布奇諾、播幾首爵士樂——

一個包裹著嶄新尿布的乾淨嬰兒便會送回您手邊。

聽起來挺不錯的吧?現在開始,您也可以好好享受人生。

(本文秉持分享初衷,絕非業配)

頒獎典禮的全紀錄影片在這裡:

資料來源:

  1. Infant washer and diaper-changer apparatus and method
Lea Tang
20 篇文章 ・ 7 位粉絲
徜徉在極北之海的浪漫主義者。 喜歡鯨豚、地科、文學和貓。