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購物車到都市摺疊車!

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・2011/02/06 ・408字 ・閱讀時間少於 1 分鐘 ・SR值 512 ・六年級

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比起方向盤,用搖桿更能控制能四個方向來去自如的未來車

因為人口集中在都市,交通問題常常限制了都市的發展型態,在一些場合,汽車比起大眾運輸工具仍然有不可取代的優勢。這影片介紹一種新的汽車設計方式,主要的概念來自於購物商場的購物車,購物車一方面可以有大容量,一方面也可以靈活運動跟堆疊,而這兩種特性都是目前汽車所需要的。

影片介紹的設計重點有兩項,一項是針對輪胎傳動轉動方式的改進,就如同很多購物車的輪子都設計可以朝多方向轉動一樣,汽車輪胎一旦可以那樣轉動,很多複雜的停車問題都可解決,另一項設計是車身可以收縮,讓停車的時候佔有的面積可以縮小。當然,一些額外的設計,像是用使用電力而非汽油,使用搖桿而非方向盤,還有未來跟資訊系統的結合等…應該還有很多更好的設計汽車的方式等著被創造出來。

本文原發表於科學影像Scimage

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從號誌開始還路於民:增設行人專用時相真的能保護行人嗎?
PanSci_96
・2023/09/02 ・3577字 ・閱讀時間約 7 分鐘

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「好不容易綠燈了,怎麼又有路人擋在斑馬線上?現在汽機車要停讓行人,不是只會讓路口更塞嗎?」

「怎麼一綠燈,腳才剛踏出去,就差點被撞到,台灣真的是行人地獄啊!」

話說道路設計的最高原則,就跟XX製藥一樣,是先研究不傷身體,再講求效果。包括行人、駕駛者等用路人的安全要確保,再來才是讓所有用路人都能在安全的條件下,快速地到達目的地。

那麼駕駛轉彎時須等候行人的規定,你怎麼看呢?身為行人的我覺得,這只是遲來的行人正義,本該如此啊!以前每次過馬路都要急急忙忙,還擔心被司機怒瞪,感覺真的很差。不過握上方向盤的我卻又覺得,哇靠,現在每次汽車轉彎遇到行人就要停下來,結果根本如入行車地獄,一整排車子在路上塞爆,綠燈都結束了,車子還卡在路中間!

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與其讓每個人都陷入行人與駕駛的無間道,也許我們該思考的是最根本的燈號設計問題,調整號誌設置加上增設行人專用時相(Pedestrian Scramble),被認為是擺脫行人地獄惡名的關鍵一招,但這招真的有用嗎?該怎麼用才真的好棒棒呢?

紅綠燈秒數該如何設計?

最近交通改革的呼聲很高,820「還路於民大遊行」也即將登場。台灣交通雖然不會因為一次的遊行,在一夕之間改變,但能讓更多人在乎交通的癥結,願意理性討論,我認為都是很好的發展。

因為多起令人傷心的事故,「道路設計」如今備受重視,然而設計道路不是看心情或靠直覺,不論是車道寬度、人行道寬度或是標線位置,都是集合交通學、數學和心理學分析的綜合結果。其中,紅綠燈的設計相對來說比較簡單,因為那就是解數學題嘛。

喔?這數學題該怎麼解呢?我們先以最簡單的雙時相號誌來舉例。這裡所謂的時相,就是指號誌的狀態。例如一個最一般的十字路口,會由一個南北向綠燈、東西向紅燈的時相,加東西向綠燈、南北向紅燈的另一個時相,組成雙時相系統。如果又加上禁止直行、僅允許轉彎的情況,那就是又多了一個時相。而由三個以上組成的系統,就是我們常聽到的「多時相交通號誌」。

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雙時相號誌例圖。圖/轉動高雄青春夢-高雄市政府交通局

現在我們眼前有一個雙時相號誌路口,我們的目標,是設計一個在固定時間內,能讓更多車通過,駕駛可以花更少時間抵達目的地的路口。唯一的條件,是它的紅燈與綠燈時間必須一樣長,那麼你會希望紅燈長一點還是短一點呢?蛤,短一點比較好?真的是這樣嗎?

當我們在設計號誌週期 (signal timing) 時,通常會將號誌畫成類似於 PM 常用的甘特圖,更加一目了然。現在我們有第一種設計:紅燈、綠燈各一分鐘,一個號誌週期是兩分鐘。以及第二種設計:紅燈、綠燈各 30 秒,一個週期是一分鐘。實際畫成甘特圖,雖然一次的紅燈等待時間變短了。但長時間來看,你遇到綠燈跟等紅燈的時間,是一樣多的,也就是在相同時間內,前進的距離是一樣的。

設計號誌週期不同,實際有效時間也會不同。圖/PanSci YouTube

當然啦,相信你也看出來了,現實情況不是這樣,就算是藤原豆腐店的送貨員,從零加速到一百,喔不對,一般道路速限是 50 公里。從零加速到 50,也是需要起步時間的,如果遇到紅燈也需要煞車時間。再加上黃燈的轉換時間,這些時間加起來會產生不少的時間損耗。如果遇到一次紅燈,就會損失 5 秒。那麼在週期為兩分鐘的道路上行駛兩分鐘,實際上的有效時間,只有 60-5 秒,也就是 55 秒的時間。在週期為一分鐘的路口呢?雖然行駛兩分鐘的綠燈時間總計也是一分鐘,卻因為會多遇到一次紅綠燈。所以有效時間會損失 2 次 5 秒,也就是有效時間只剩下 50 秒,比週期是兩分鐘的道路還少了五秒。

結論就是,雖然綠燈長一點,紅燈也需要等久一點,但比起不斷地走走停停,能將速度維持在速限的時間更久,就能節省更多時間。

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號誌連鎖,幹道更順暢

當然,以上假設是紅燈與綠燈一樣長的情形,大部分的道路規劃都存在幹道、支道的區分。幹道是交通的命脈,也是車流量最大的地方,因此綠燈時間就會設計的比紅燈還要長,在號誌設計上也會有其他的考量。

例如,大家在路上看到一整排綠燈,一路大順暢,心情一定也十分舒暢,這被稱為號誌同步 (Signal Synchronization)。剛才討論的是單一紅綠燈的時間長短,現在我們同時考慮整條路上的紅綠燈,依照經驗也知道,沒有號誌同步的幹道,遇到的紅燈次數自然也會比較多,那麼因為頻繁減速、加速而出現的時間損失又多起來了。

但是,號誌同步真的是最優的作法嗎?其實不見得。當我們將號誌再次畫成圖,把號誌的時間和空間擺在一起,形成時空圖(Time-Space Diagram),並且加入行駛速限的考量。

號誌時空圖(Time-Space Diagram)。圖/Traffic Signal Timing Manual

我們會發現,放入合適的時差,能讓號誌如波浪般傳遞下去,每次你剛好到下一個路口,就會剛好遇到綠燈,達到真正的一路大順暢。這種安排方式被稱為號誌連鎖 (Signal Coordination)。而要讓雙向的道路都能受益於號誌連鎖的好處,就需要透過嚴密的車流量與數學計算。

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在這些基礎之上,還需要加入時間、車流、轉彎道等資訊,才能做出最有效的號誌設計,實在不簡單。在這個基礎之上,若要解決行人屢屢遭遇事故的困境,該怎麼設計紅綠燈呢?

行人專用時相是什麼?

前陣子,關於駕駛轉彎時須等候行人的議題又再度浮上水面,有人提出既然每次汽車轉彎遇到行人就要停下來,不如增設「行人專用時相」(Pedestrian Scramble)來解決問題。在這個時相內,只有行人可以移動,反過來說,在汽車移動的時候,行人是不能移動的。

這有什麼好處呢?首先,因為行人穿越馬路時所有汽車都得靜止,因此行人可以穿越對角線,穿越馬路的次數從兩次變為一次。對於駕駛來說也有好處,因為駕駛行駛時已經沒有行人會穿越斑馬線,因此右轉車輛可以不受影響,降低等待時間。而最重要的是,行人移動時沒有任何交通工具正在移動,直接降低了車禍的風險。倫敦交通局在 2010 年的報告中,便說明行人專用時相可以降低 38% 的行人傷亡。

行人專用時相可以降低 行人傷亡。圖/Giphy

既然這麼立竿見影,那把所有路口都加設「行人專用時相」就解決問題了嗎?其實也不是。增加一個時相,就意味整個週期拉長了。因此不論是行人還是車輛,要等的紅燈時間也會拉長。在少部分城市,就觀察到駕駛更容易因為等得不耐煩而搶跑、闖紅燈,例如加拿大的多倫多,就因此在 2015 年取消了行人專用時相。

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一般認為,適合設置行人專用時相的地方,僅在行人人流量高的路口,例如鬧區、車站前、幹道交叉口等等。在行人數量不多的路口,增加時相可能反而會使塞車問題更加嚴重。

還有什麼方法能讓行人更安全的過馬路?

事實上,台灣交通安全協會理事長陳宏益也表示,行人專用時相只是短期應急作法,更好的做法是搭配不同路口採用不同的措施。例如設置「行人早開時相」(Leading Pedestrian Interval),讓行人比車輛早 3~7 秒綠燈,增加行人被駕駛看到的機會、減少人車爭道。

或是呢,設置行人庇護島或將行穿線退縮,除了庇護島能多一分保障外,重要的是行穿線退縮能增加汽車的等候空間,並且因為車輛在轉入時已經轉直,比較不容易因為 A 柱死角而看不見行人。

行穿線退縮也能保護行人安全。圖/PanSci YouTube

這樣聽起來,只要根據每個路口車流、人流,調整燈號設計,台灣的「行人地獄」應該有解囉?你覺得呢?有可能改變嗎?

  1. 當然有解,那麼多國家都提出了交通零死亡願景,事在人為啊!
  2. 教育才是最佳解,從幼兒園開始重新學習行人路權觀念,保守估計下一代……大概就會成功了。
  3. 我不入地獄,誰入地獄,這個肉身臭皮囊,還是靠自己長眼顧好吧!

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・2011/02/06 ・408字 ・閱讀時間少於 1 分鐘 ・SR值 512 ・六年級

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比起方向盤,用搖桿更能控制能四個方向來去自如的未來車

因為人口集中在都市,交通問題常常限制了都市的發展型態,在一些場合,汽車比起大眾運輸工具仍然有不可取代的優勢。這影片介紹一種新的汽車設計方式,主要的概念來自於購物商場的購物車,購物車一方面可以有大容量,一方面也可以靈活運動跟堆疊,而這兩種特性都是目前汽車所需要的。

影片介紹的設計重點有兩項,一項是針對輪胎傳動轉動方式的改進,就如同很多購物車的輪子都設計可以朝多方向轉動一樣,汽車輪胎一旦可以那樣轉動,很多複雜的停車問題都可解決,另一項設計是車身可以收縮,讓停車的時候佔有的面積可以縮小。當然,一些額外的設計,像是用使用電力而非汽油,使用搖桿而非方向盤,還有未來跟資訊系統的結合等…應該還有很多更好的設計汽車的方式等著被創造出來。

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SmartReading 科普閱讀力大賽——打造新世代自主閱讀指標,培養學子適性成長!第三屆頒獎典禮暨第四屆賽事啟動!
PanSci_96
・2022/09/26 ・3811字 ・閱讀時間約 7 分鐘

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108 課綱開啟全新閱讀素養時代。

科學素養不再侷限於考試的解題方法,學生閱讀科學讀物時,如何在氾濫資訊中找到高品質、適合學習程度的科學素材,是教育現場至關重要的課題。

臺灣師範大學 SmartReading 團隊將 AI 讀物難度分級技術,透過測驗、選書、閱讀、讀後回饋四大功能,完整記錄孩子的學習歷程,提升中小學生科普閱讀動機,成為自律自主的科普學習者。

臺灣師範大學於 110 年至 111 年間,與國科會、新北市、臺中市等單位合作,連續辦理三屆「SmartReading 科普閱讀力大賽」,每屆競賽歷時半年。競賽組別以國小三年級至高中一年級共分七個組別。參賽學校涵蓋臺北市、新北市、臺中市、臺南市、高雄市、花東等十九縣市,報名參賽人數累計八千餘人。

國立臺灣師範大學第四屆科普賽將擴大辦理,邀請PanMedia泛科學馮瑞麒總經理、數感實驗室賴以威教授、臺大科教中心賴亦德執行長,持續提供參賽者更生活化、趣味化的科普文章。圖/國立臺灣師範大學

由系統建置適合學生閱讀的兩千多本科普讀物

競賽期間,參賽學生使用「SmartReading 適性閱讀」系統,透過精準快速的中文閱讀能力診斷,將閱讀程度與讀物難度適配。藉由系統已建置,適合國小三年級至高中一年級的 2,180 餘本科普讀物,不僅能激勵其學習動機,更可有效提升選擇的效率,降低科學閱讀恐懼。第三屆科普閱讀力大賽不受疫情波擾,採實體與線上兩種施測方式,於 111 年 5 月份圓滿完成賽事。

111 年 9 月 24 日於臺灣師範大學舉行頒獎典禮,邀請新北市教育局張明文局長、臺北市教育局鄧進權副局長、臺灣閱讀協會陳昭珍理事長、康橋國際學校秀岡校區卓意翔副校長、親子天下兒童產品事業部副總經理林彥傑、新北市信義國小陳桂蘭校長到場擔任頒獎嘉賓。參賽學校師生、家長齊聚典禮會場,為優秀的得獎同學喝采。

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111 年 9 月 24 日於臺灣師範大學舉行頒獎典禮,邀請新北市教育局張明文局長、臺北市教育局鄧進權副局長、臺灣閱讀協會陳昭珍理事長、康橋國際學校秀岡校區卓意翔副校長、親子天下兒童產品事業部副總經理林彥傑、新北市信義國小陳桂蘭校長到場擔任頒獎嘉賓。參賽學校師生、家長齊聚典禮會場,為優秀的得獎同學喝采。圖/國立臺灣師範大學

臺師大宋曜廷副校長表示,數位閱讀邁向新時代,團隊使用「SmartReading 適性閱讀」系統作為科普賽競賽平台,期望在知識爆炸的時代,藉由測驗、選書、規劃的「智慧閱讀三步驟」,培養學子的跨領域閱讀力與閱讀習慣,讓學生們手握知識大門的鑰匙,成為自律自主的「SmartReader」。

科普閱讀競賽的三大特色

一、適配閱讀能力與圖書難度,擴增多元書籍與文章素材

參賽學生首先須參加中文適性閱讀能力診斷(DACC),依據診斷結果,配合其當前閱讀能力的科普推薦書單,讓學生選書有依據、個人化。本競賽目前共有「推薦書單」、「推薦文章」等 2 種閱讀素材,主題包含植物/動物、數學、天文地科、物理/化學等 8 大類別。「推薦文章」功能,則與「PanSci 泛科學」及「數感實驗室 Numeracy Lab」合作評選,當前提供 600 餘篇線上科普短文,競賽期間提供已超過 4,000 人次的瀏覽次數。

二、綜合性閱讀五力分數,開啟學生全方位閱讀力

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本競賽賽程為期半年,學生透過「前測、閱讀任務挑戰、後測」三個階段。競賽期間,系統詳細記錄每週閱讀歷程,並產出線上「閱讀五力分數」報表。自主規劃閱讀期間計算為「規劃力」;讀後評量填答結果計算為「執行力」;閱讀多元書籍類別的結果計算為「博學力」;閱讀單一書籍類別的深化成果則計算為「精進力」;前後測成長結果計算為「成長力」。將閱讀能力數據化、可視化。

三、閱讀任務徽章,深化學生文化素養與科普閱讀興趣

本競賽內建徽章蒐集系統,參賽者於指定時間依據提示完成閱讀任務,即可獲得期間限定的特色科普徽章。任務內容包含閱讀指定的書單及文章類別、世界性科普節日、科學家生辰、台灣重要節慶與其他隱藏任務。本屆各年級累計獲得徽章達 20423 枚,因設計活潑及任務類型多樣,大受參賽者好評。

競賽結果發現學生的閱讀偏好

一、科普閱讀參與,國小男性最踴躍

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活動期間參賽者共完成約 21,153 本的書籍評量。以不同學習階段來看;國小參賽者整體閱讀平均本數為 24 本,男生平均閱讀本數為 28 本,女生平均閱讀本數為 20 本。國、高中參賽者因科普讀本難度較高,需要較長的閱讀時間及一定的科學基礎知識,國中參賽者整體平均閱讀書籍數為 10 本;高中參賽者中女性平均閱讀本數多於男性,整體平均閱讀書籍數為 7 本。

總閱讀量/本人數平均閱讀量/本
全體學生21,1531,10019
8,05150516
13,10259522
國小學生17,47971624
6,47432520
11,00539128
國中學生3,45935510
1,4611669
1,99818911
高中學生215297
116148
99157
活動期間參賽者共完成約 21,153 本的書籍評量。表/國立臺灣師範大學

二、學生偏好閱讀動物/寵物類與地球生態/天文類書籍

整體參賽學生對於科普書籍的喜愛程度,以植物/動物類(男生 28.19%、女生 27.91%)最能引起學生的閱讀興趣(如:《昆蟲老師上課了!:吳沁婕的超級生物課》、《小島上的貓頭鷹》、《神奇樹屋》等系列)。在次要類別,男女皆喜好生態/生命科學類的書籍(男生 15.20%、女生 16.87%)。

整體參賽學生對於科普書籍的喜愛程度,以植物/動物類最能引起學生的閱讀興趣。在次要類別,男女皆喜好生態/生命科學類的書籍。圖/國立臺灣師範大學

三、參賽學生閱讀歷程的質與量均佳,表現令人驚豔

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本次參賽學生皆積極參與競賽。

以三年級組第一名得主,臺北市立大同國小的林靖軒同學為例,競賽期間閱讀書籍本數高達 383 本,書籍讀後評量的通過率更高達 95%,書籍不僅讀得多,更是能讀得要領。

四年級組第一名為第二次參賽的新北市信義國小謝秉言同學,本次競賽期間共閱讀 427 本書。

其中五年級組為本次競爭最激烈的一組,臺北市立長春國小的黃葦川同學以及高雄市立集美國小的吳勁毅同學,兩者僅以極小的分數差距位居第一及第二名。

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此外,第一次參與競賽的高雄市立正義國小的孫政遠,競賽期間閱讀 281 本書籍,通過率達到 97%。

四、教育主管機關、學校師長及家長支持鼓勵,帶動學生優異表現

新北市教育局致力於推動智慧閱讀教育,不遺餘力,成果豐碩。本屆競賽全台共 2,104 人報名參與,全國賽獎項獲獎學生共計 36 人,其中新北市得獎學生便囊括 14 位,表現相當亮眼。

家長與學校師長共同陪伴,使得學生能專注於本次競賽,並有相當卓越的成果,例如新北市康橋國際學校、臺中市明道中學、臺中市葳格國際學校、臺北市東山中學等校,皆因全力推廣閱讀活動,才能有優異的競賽成果。以新北市康橋國際學校國中部為例,此次七年級組參賽者,全國賽前5名得主中,康橋中學就獲有 3 名的佳績。

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臺師大華語文與科技研究中心洪嘉馡教授說明第三屆科普閱讀力大賽成果。圖/國立臺灣師範大學

第四屆科普閱讀力大賽即將開跑

延續前三屆廣受好評之科普賽事,第四屆科普賽將擴大辦理,邀請「PanMedia 泛科知識股份有限公司」馮瑞麒總經理、「數感實驗室 Numeracy Lab」賴以威教授、「國立臺灣大學科學教育發展中心」賴亦德執行長,持續提供參賽者更生活化、趣味化的科普文章,預期第四屆科普閱讀力大賽將能讓全球讀者有更高品質的閱讀體驗和更充實的閱讀收穫。

活動詳情請參閱官方網站
新聞聯絡人:高等教育深耕計畫辦公室——鄭德蓉 02-2366-0916 #111

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MIT 團隊的嶄新懸浮技術——打造幽浮式月球探險車
linjunJR_96
・2022/02/03 ・1962字 ・閱讀時間約 4 分鐘

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在前往外星球的探險任務中,很重要的一個問題是如何在外星地表移動。從 1979 年的阿波羅登月計畫所使用的載人月球車,到 2012 年獨自前往火星的好奇號,太空探險車都是採用以輪子為主的設計。這種移動方式容易受限於地形,無法前往地勢陡峭的區域。

在 2021 年底,麻省理工學院的航太工程師開發出嶄新的懸浮技術,能夠讓飛行器在外星球表面懸浮並騰空移動,就像剛升空的幽浮一樣。這種技術已從原理上證明可行,並在實驗室內通過小規模測試,為外星探險技術帶來許多新的想像。

圖/MIT

就「地」取材,利用與地表相同的電荷

一般而言,想要讓探險車升空移動是不切實際的想法。如果想讓探險車像火箭一樣燃燒燃料並噴出氣體來推進,就需要搭載大量笨重的燃料,不只讓太空梭升空的負重增加,到達目的地後也很難維持足夠長的任務壽命。另一方面,小行星的個頭都很小,自身的重力無法抓住氣體形成大氣層,因此任何像飛機或直升機的空氣動力方法都不管用。

不過,正是因為缺乏大氣層與磁場的保護,這些小行星的地表會不斷受到來自太陽的高能輻射轟炸,地表的物質被輻射電離使得地表自帶一層電荷,其中向陽面會帶正電,背陽面帶負電。因此,包括月球在內的小行星表面其實都帶有不小的電壓。

在 MIT 的工程師們想到,只要想辦法讓探險車帶有跟地表一樣的電荷,同性相斥的靜電力就能讓其浮在空中。近期的研究表示月球表面的電場足以讓地表的沙塵揚起超過一公尺,有點類似身上充滿靜電時頭髮會豎起來。原則上,我們也可以借用這個自然產生的電場來抵抗重力,打造出「幽浮式」探險車。

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一隻貓由於其運動造成的摩擦而使毛髮帶電,導致包裝用泡棉受到吸引黏於貓身。圖/維基百科

要做到這點,可以先在車上裝上液態的離子源,也就是由正負離子組成的液體。加上適當的電壓後,便可以從噴嘴將離子以束狀射出。這類離子噴射所產生的反作用力常用於推進或操控小型人造衛星,不過在這裡也可用來進行靜電懸浮。假如月球地表帶的是正電,幽浮車可以將負離子射出,如此一來整個幽浮車便會帶正電,達到同性相斥的效果。同時,離子束的推力也可以用來操縱車體。

如何加強靜電斥力?讓車子幫地表「充電」

從這個想法出發,MIT 團隊設計出初代的幽浮車模型。但由於地表電荷密度就這麼一點,他們很快從計算發現這樣做的靜電斥力並不足以支撐裝置加上液態離子源的重量。尤其是在月球這類相對較大的星體上,重力加速度較大,幽浮車也需要更強的升力才能升空。

不過仔細想想,在排出負離子後,儘管幽浮車與地表的正電荷總數是固定的,但是兩者之間的靜電斥力大小取決於兩邊的電荷量相乘。因此如果用車上的正離子幫地表「充電」,或許可以加強懸浮用的靜電斥力。

就像是寄包裹時會限制長寬高三者的總和,此時體積最大的選項就是盡量接近正立方體的箱子;同樣的,如果可以適當地將車上的一些正電荷分給地表,原則上就能將兩者之間的斥力最大化。

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就像是寄包裹時會限制長寬高三者的總和,此時體積最大的選項就是盡量接近正立方體的箱子。圖/Pexels

外太空載具的工程學傑作

理論的計算證實了這個概念上的突破相當關鍵。於是,團隊在設計中加入了幾隻向下的噴嘴,將正離子射向下方的地表,大幅提高地表的局部電荷量。他們在實驗室中造出了第一代幽浮車原型:一個手掌大的六角形薄片,重約 60 公克,裝有四隻噴嘴朝下,一隻朝上。在實驗室的真空環境中,第一代幽浮車在帶電的平板上實際進行懸浮實驗。實驗結果證實了他們的理論模型無誤。

根據目前的理論模型,一個一公斤重的放大版幽浮車將可以懸浮在離地表一公分處。原則上,只要加大射出離子束的電壓就能提升懸浮高度,不過目前的理論只能描述離地高度較小的情況,因此相關的理論參數還需要進一步修正。

這種靜電懸浮所需的能源功率很小,可說是外太空載具的工程學傑作。如果更好的理論模型完成了,那麼未來十分有希望投入實際應用。太空梭可以在小行星周圍投下這些小型幽浮車,讓他們探索崎嶇不平的地表。可惜的是,利用離子噴射來懸浮只對帶電的地表有效,所以在地球上的我們還是得乖乖地用噴射背包來離開地表。

參考資料