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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

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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恐龍稱霸地球的秘訣,竟是牙齒自帶避震器?——《追光之旅:你所不知道的同步輻射》

天下文化_96
・2021/09/12 ・1747字 ・閱讀時間約 3 分鐘

《侏羅紀公園》系列電影掀起大家對恐龍的好奇,但其實科學家早就在研究遠古時代的各種生物。以恐龍為例,平均每星期會發現一種新種恐龍,每年大約會發現五十種新種恐龍。而在探討物種起源及鑑定遠古生物領域,同步輻射分析技術也展現了它的獨特價值。

例如,南非威特沃特斯蘭德大學(University of the Witwatersrand)領導的國際科學家團隊,針對一些世界上最古老的恐龍蛋胚胎頭骨,進行 3D 複製重建,發現牠們的頭骨生長順序與當今的鱷魚、雞、烏龜和蜥蜴相同,研究成果發表在《科學報導》(Scientific Reports)上。

美國自然歷史博物館收藏的恐龍蛋化石,內部留有胚胎構造。圖/WIKIPEDIA

在台灣,由加拿大多倫多大學教授賴茲(Robert Reisz)與台灣學者組成國際團隊,花費兩年時間,運用超高解析二維紅外光譜顯微術,在活躍於一億九千五百萬年前的雲南祿豐龍胚胎股骨化石中,發現殘留有機物,找到古化石內保存複雜有機物的最古老紀錄。這個破天荒的發現在 2013 年登上了《自然》(Nature)雜誌封面。

此外,在祿豐龍肋骨化石的微血管通道中,國輻中心研究員李耀昌也發現全球最古老且保存完整的膠原蛋白與赤鐵礦微粒聚晶。

「即使經過億萬年時空轉換,恐龍的軟組織經血液中鐵的氧化及碳酸鈣化包覆作用後,還是有機會被保存下來,」李耀昌表示,這將有助科學家進一步了解恐龍的生理機能與遺傳密碼。

李耀昌團隊將成果發表於《自然通訊》(Nature Communications)期刊,並獲選為《發現》(Discover)雜誌「 2017 年全球百大發現」第十二名,是近年來台灣學者主導的研究成果首度登上《發現》雜誌全球百大發現。

英國 Dinosaurland 化石博物館的鐮刀龍巢與蛋化石。圖/WIKIPEDIA

發現牙齒裡的避震器

恐龍胚胎裡有膠原蛋白,恐龍的嘴巴裡則是自帶「避震器」。

國輻中心團隊與台灣博物館、台灣石尚博物館、中國大陸北京自然博物館、加拿大安大略皇家博物館,以及中國大陸地質科學院地質研究所合作,蒐集十五種肉食性與植食性恐龍牙齒,利用同步輻射穿透式 X 光顯微術與現代的眼鏡凱門鱷牙齒進行研究比對,首度發現肉食恐龍牙齒具有避震結構。

在肉食性恐龍牙齒的琺瑯質與象牙質中間,存在一層相對柔軟且布滿微細孔洞的被覆牙本質層,可以保護牙齒,避免因撕裂骨肉造成牙齒瞬間斷裂。這項研究結果修正了過去對於原始爬蟲類牙齒結構的認知,因此登上國際知名期刊《科學報導》(Scientific Reports)與各大媒體。為了蒐集恐龍牙齒進行研究比對,國輻中心研究員王俊杰透露了一段小故事。

「當時我到桃園興仁花園夜市拜訪鱷魚攤,沒想到使用斜口鉗幫鱷魚拔牙時,斜口鉗當場應聲斷裂,只好再買一把硬度更高的老虎鉗,費了好大一番功夫才順利拔下鱷魚牙齒。」

透過同步輻射 X 光顯微鏡發現暴龍牙齒藏有「避震器」,保護牙齒不致斷裂。1:X光下的暴龍牙齒構造。2:暴龍牙齒外觀。 3:無避震結構的牙齒內部應力分布。4:有避震結構的牙齒內部應力分布。圖/王俊杰提供

牙齒的特殊結構,使得肉食恐龍成為頂尖獵食者,稱霸地表一億六千五百萬年。相較於人類咬合力約為 40 公斤、眼鏡凱門鱷咬合力約 1,000 公斤,以及咬合力可達 2,000 公斤、目前世上咬合力最大的動物—— 灣鱷,「暴龍的咬合力約 6,000 公斤,且拖行的獵物體重可能超過 1 公噸,但靠著微小的避震結構設計,便不致因巨大應力而造成牙齒斷裂,」王俊杰說。

遠古生物的活動型態一直是科學家亟欲解開的謎題,透過同步光源高解析度檢測技術,可以幫助我們了解古生物化石組織結構的細微差異,提供了一種嶄新的古生物分類與古生態研究檢測方法,而藉由恐龍胚胎化石中探測到的有機質殘留物,未來將可逐步解開更多遠古生物的奧祕。

——本文摘自《追光之旅:你所不知道的同步輻射》,2021 年 8 月,天下文化

天下文化_96
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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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