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橡皮筋熱引擎! Rubber Band Heat Engine

Scimage
・2011/11/21 ・391字 ・閱讀時間少於 1 分鐘 ・SR值 527 ・七年級

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引擎是把熱轉成運動的一種裝置,除了傳統的氣體加熱膨脹以外,其實還有其他種方式,例如之前介紹過的熱泳粒子引擎,或是輻射計 Crookes radiometer。這影片是展示怎麼用橡皮筋做出熱引擎(在費曼物理裡有提過這例子)。

一般的橡皮筋是由糾結的高分子所組成的,當加熱時候因為各個分子段可以動的方式更多,所以就像纏的越複雜的線會越小一樣,加溫的高分子橡皮會因為纏的越複雜而收縮拉緊(與一般的熱漲冷縮不同)。影片中的燈可以幫橡皮筋加熱,加熱後的橡皮筋因為收縮所以把那部份的邊緣往中間拉一點,這樣一來重心的位置就向沒有加熱的那邊偏移,一旦重心偏移發生,整體就受到一個力矩開始轉動。

雖然是簡單的原理,不過這樣簡單的設計就能把熱能轉成動能,或許有更多聰明的設計可以在不同的場合(太空或是微小化的元件)做為合適的熱能轉換裝置!

本文原發表於 科學影像 Scimage

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一級方程式賽車 vs 電動方程式賽車 ,誰才是頂級賽車運動的未來?—《知識大圖解》
知識大圖解_96
・2017/02/01 ・1335字 ・閱讀時間約 2 分鐘 ・SR值 559 ・八年級

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一級方程式賽車(F1 賽車)與電動方程式賽車(FE 賽車)聽來沒什麼不同,但實則南轅北轍。

F1 錦標賽歷史源遠流長,風靡全球,以單座賽車飆出競速運動的極限。 F1 賽事中有最快的車、有自 1950 年來的悠久歷史,還有各世代車迷津津樂道的傳奇車手。另一方面,FE 賽車帶來的是創新與突破。FE 錦標賽始於 2014 年,參賽車種全由電力驅動,比起狂飆耗油,更重視節約能源。而 FE 錦標賽為了吸引觀眾目光,參賽車的外觀也與 F1 賽車非常相似。 近年來 F1 賽事也開始引進環保科技, 導入能源回收再利用系統,賽車因此搖身 一變為油電混合車。2014 年,F1 賽事的主管單位國際汽車聯盟(FIA)下令,所有 參賽車輛都須減少三分之一的燃料消耗。

圖/《知識大圖解》第 28 期(2017 年 1 月號)

圖/《知識大圖解》第 28 期(2017 年 1 月號)

FE 賽事不太可能威脅到 F1 賽事的商機,因 F1 賽車以全球頂級賽道為舞台,場地路況佳;FE 賽車則主跑道路賽事,不適合電視轉播。另外,賽車的魅力部分來自於引擎全力運轉的轟鳴聲;FE 賽車有氣無力的電動引擎聲,實在無從比擬。因此 FE 賽車短期內不會喧賓奪主,反倒是有機會看到 F1 車隊在未來引進純電動車科技。

賽車座艙可增進駕駛的安全

F1 賽車目前採用的開放式駕駛艙,雖能讓觀眾掌握駕駛的一舉一動,但也讓車手的頭暴露在外,導致發生碰撞或被車體殘骸擊中的風險大增。2014 年,瑪魯西亞車隊選手儒勒.比安奇(Jules Bianchi)發生事故身亡,促使各車隊以安全為考量,大幅改變駕駛艙設計。兩種新設計於焉誕生:一是由賓士與法拉利車隊研發的車頂防護桿「halo」,外觀像人字拖,可讓車手免受迎面而來的撞擊;一是由紅牛車隊開發的透明車頂罩「aeroscreen」。但國際汽車聯盟表示,可能要到 2018 年賽季才會引進上述的改良式設計。

引擎噪音:汙染或享受?

F1 賽車時引擎的聲音是吸引觀眾並鼓躁情緒的因素知一,但聽覺享受與噪音污染卻也只是一線之隔。圖/Ian Dick @ Flickr
F1 賽車時引擎的聲音是吸引觀眾並鼓躁情緒的因素之一,但聽覺享受與噪音污染之間卻也只有一線之隔。圖/Ian Dick @ Flickr

賽車引擎的噪音是看法兩極的議題。對賽車迷而言,賽車引擎的怒吼聲只是比賽體驗的一部分。然而,引擎噪音除產生噪音汙染,更會造成聽力受損,其責任歸屬不容忽視。目前賽車迷似乎占了上風:2015 年時,F1 賽車引擎改為渦輪增壓後引發民怨,觀眾不喜歡新引擎的單調聲音。2016 年賽季排氣管規定改變,經典的猛烈引擎聲得以部分重現,但許多粉絲仍不買帳。 FE 賽車方面,賽事部高層曾考慮以假的引擎聲蓋過電池的無力運作聲,以饗看倌。但這個想法不久後便遭擱置。究竟異常安靜的 FE 賽車,能不能像吵雜的 F1 賽 車那般受到車迷青睞,還有待觀察。


《知識大圖解》201701 封面

 

本文節錄自《How It Works 知識大圖解 國際中文版》第 28 期(2017 年 1 月號)

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垂直起降無人機──《知識大圖解》
知識大圖解_96
・2015/11/02 ・1997字 ・閱讀時間約 4 分鐘 ・SR值 572 ・九年級

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起降無人機
本圖出自《How It Works知識大圖解 國際中文版》第13期(2015年10月號),全見版請點擊圖片放大。

從現今習以為常的直升機到未來世代的自動無人機,垂直起降科技已逐漸崛起並躋身主流。

打從人類開始夢想飛行之際,便開始想像替飛機加上垂直起降的功能;其中李奧納多.達文西(Leonardo da Vinci)就是這類科技的創始者之一,他手擬了一款現代最常見的垂直起降飛機──直升機。達文西的設計雖未經實際測試,也從未真的飛離地面,但這種俗稱「空氣螺旋槳」的機器採用螺旋設計,其實早已用上了壓縮空氣製造升力的基本原理。

自那時起,有一大票發明家都希望能將自己的原型機送上藍天,但接下來五百年間,垂直起降的科技似乎沒什麼進展。達文西的自轉旋翼機(gyrocopter)儘管已經落伍許久,這位義大利天才所採用的飛行原理基本上卻沒什麼改變。

二十世紀初可說是飛行世代的開端,1907年,法國的垂直起降科技終於順利通過測試,這可是史上頭一遭。飛行界的領頭先鋒雅各.寶璣(Jacques Breguet)、路易.寶璣(Louis Breguet)與保羅.柯努(Paul Cornu)發明了可以短暫低空盤旋的垂直起降飛機,垂直飛行技術首度向成功邁開了一小步。

接下來的數十年間,航空科技發展迅速,各式各樣的設計如雨後春筍般自世界各地湧現。第一次世界大戰期間,各國對於更新、更快、更有效率的戰機需求激增以便深入敵軍,因此直升機大抵上仍然不受重視,直到1940年代與第二次世界大戰期間,情勢才改觀。德國納粹早期會運用直升機進行偵察、運輸與傷患後送等任務,但直到1944年直升機才開始量產。

數百架由工程師伊戈爾.西科爾斯基(Igor Sikorsky)設計的R-4、R-5、R-6直升機在二戰最後一年間陸續完工出廠,提供同盟國部隊諸多支援,二戰剛結束時,垂直起降飛機更是聲名大噪。與達文西的自轉旋翼機不同,新型直升機的主旋葉可以迅速將空氣向下壓擠,製造出升空不可或缺的升力,尾端也有一組尾旋翼,可以避免直升機原地打轉。

隨著國際局勢陷入冷戰時期,許多人認為垂直起降飛機會是未來的趨勢。當時全球的確有遭受核子爆炸摧殘的可能性,災難一旦成真,所有可用跑道都將遭到摧毀,因此若有飛機能夠在任何地方隨時起降,必可稱霸天空。因此,美軍後來便陸續嘗試許多古怪的垂直起降飛機,如實驗性戰鬥機洛克希德XFV鮭魚機(Lockheed XFV Salmon),或甚至是受到飛碟啟發的飛行車(Avrocar),但絕大多數都失敗,計畫也隨之中斷,唯一成功挺過冷戰時期的只有英國航太公司(BAE)製造的海鷂戰鬥攻擊機。

海鷂機也叫鷂式戰鬥機,是第一款研發成功的垂直起降噴射機;四管向量噴嘴可以將噴射機的引擎推力導向90度內的任何角度,讓飛機能夠縱向、橫向飛行,在空中改變行進方向,或甚至滯空盤旋。

海鷂機具備了垂直起降能力,所以特別適合在航空母艦上執行任務,其渦輪風扇引擎由勞斯萊斯(Rolls-Royce)製造,搭配卓越的靈活性與先進武器系統,令人不敢小覷。

另一架於冷戰時期出線的飛機則是V-22魚鷹機。在貝爾與波音兩公司聯手之下,具備縱向推力的魚鷹運輸機搭載了兩組傾斜式旋翼,能像直升機一樣盤旋或垂直降落,也能轉換推進方式,像渦輪螺槳飛機一樣飛行。

魚鷹機的飛行距離超過740公里,能夠迅速運送30人的部隊,在美國海軍陸戰隊執行重大潛入與撤離任務時扮演了重要角色;魚鷹機甚至還能將25公尺長的機翼收攏,將機身縮到只剩5.6公尺寬,因此非常適合停放在航空母艦上。

時代不同,工程師須克服的挑戰也隨之不同。軍方現今面臨的問題除了製造飛機要經濟實惠,靈活性高,飛機還要具備智慧才行;未來軍火商與國防部會愈加重視將垂直起降科技應用到軍用無人機上。

雖然目前操控這些機器的電腦已經走在時代尖端,但讓機器升空與平安落地的物理學基本上並未改變。

不管是透過遠端遙控還是自動飛行,垂直起降無人機能完成的任務將相當多元,包括運輸、偵察或甚至發起攻擊。到目前為止我們已經介紹了幾項令人振奮的願景,這些都是航空產業中最棒也最聰明的發明,垂直起降科技勢必稱霸下個世代。

NASA垂直起降無人機正式啟航

美國航太總署(NASA)的混合式電動飛機別名「滑溜閃電GL-10」(Greased Lightning GL-10),翼長僅三公尺,但卻把垂直起降科技利用得淋漓盡致。十具獨立螺旋槳可加大垂直攀升的效率,接著機翼與尾板可一同傾斜改變角度,並轉為橫向飛行;兩具螺旋槳提供全部動力以節省能源,其他螺旋槳則依據空氣動力學的概念暫時收攏。

由於動力來自潤滑油般的燃料與電池電力,所以GL-10才得到滑溜閃電的別名。引擎採混合動力設計,代表這架飛機不會像一般的噴射機一樣笨重,機體設計自然俐落得多,能源消耗也減低不少。

GL-10原型機顯然體積太小,運輸酬載量不大,但NASA透露,GL-10屬於「無尺度」(scale-free)設計,亦即其重量與量度規格也能套用到更大的尺寸;也就是說,如果進一步測試順利,與GL-10相似的大型機種將愈來愈普及。

 

本文節錄自《How It Works知識大圖解 國際中文版》第13期(2015年10月號)

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酵素引擎,燃料電池科技新方向
科景_96
・2011/02/10 ・986字 ・閱讀時間約 2 分鐘 ・SR值 578 ・九年級

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Original publish date:Nov 12, 2007

編輯 Lucas H. C. Chao 報導

 

能源危機、全球暖化,此類議題逐漸被世人廣泛討論,如何發展一個新的能源使用形式,降低對石油的依賴並且對環境造成的污染也可降至最低,一直是科學家努力的方向。其中,燃料電池科技一直被視為重點發展的領域,尤其是氫氣燃料電池。氫氣的氧化反應其每單位分子量所生成的能量比為所有已知反應中最高的,因此被視為發展重點。過往對於氫氧燃料電池的核心,催化劑本身的材料研究,大多以鉑(Pt)、鈀(Pd)等貴重金屬作為研究材料。由於此類金屬在催化氫氣氧化的反應過程中,過度的氧化還原會因為系統中含有氧氣等小分子使得催化劑本身逐漸失去活性。(註一)因此,如何改善這些缺點進而應用在燃料電池科技上,一直是科學家們努力的方向。Karyakin等人利用氫化酵素(Hydrogenase)製作成電極,並對其電化學的特性加以測量,發現其發電的效率與現今使用的鉑(Pt)電極相比不相上下。此結果發表於近期的Angewandte ChemieInternational Edition.。

由於鉑(Pt)、鈀(Pd)金屬昂貴且不易取得的缺點,科學家們朝向開發、尋找新型能源使用材料。其中氫化酵素是一個不錯的選擇,氫化酵素主要存在於一些遠古細菌(Archaebacteria)中,它主要的功用是將氫氣做可逆的氧化還原反應,藉以調控生物體中質子的含量,進而調控許多代謝反應。例如甲烷生成、光合作用等等需要質子的代謝反應。氫氣行氧化反應時,氫氣可經由酵素做異相裂解反應,產生兩當量質子與兩當量的電子。(註二)

Karyakin等人利用氫化酵素製成電極並對其電化學特性加以測量發現其效率相近於以鉑(Pt)金屬為基材的電極。由於一般氫氣來源中常有CO、H2S等不純物,可致使鉑(Pt)電極失去活性,Karyakin等人將酵素電極對氧氣、CO、H2S的耐受程度做了測試,發現酵素電極雖然會因為這些小分子不純物的存在而使得活性降低,但是再通入氫氣則可逆回具有活性的形式。另外,也對其在含氫氣及氧氣的環境中做酵素電極的功能探討,發現在氫氧混合的環境中,酵素電極依然具有功用。而這樣的環境條件已相當接近於我們一般可使用的條件,對於氫氧燃料電池的研究是一個相當大的突破。

Karyakin的實驗室進行這個題目已相當久的一段時間,整個燃料電池科技牽涉的相關技術是相當廣泛且複雜,核心催化劑的選用、介電層材料的選擇、整體燃料電池的設計,甚至整個供輸系統的建立,都還需要很深入的研究。

 

註一:Science 2007, 315, 172-172, Biochem. Soc. Trans. 2005, 33, 61-63
註二:Coord. Chem. Rev. 2000, 206-207, 533-561

原始論文:
Angew. Chem. Int. Ed. 2007, 46, 7244-7246

參考來源:

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