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
為什麼台灣會像坐在搖搖椅上，總是時不時地晃動？這個問題或許有些令人不安，但卻是我們生活在這片土地上的現實。根據氣象署統計，台灣每年有 40,000 次以上的地震，其中有感地震超過 1,000 次。2024年4月3日，花蓮的大地震發生後，台灣就經歷了超過 1,000 次餘震，這些數據被視覺化後形成的圖像，宛如台北101大樓般高聳穿雲，再次引發了全球對台灣地震頻繁性的關注。
地震發生後，許多外國媒體擔心半導體產業會受影響，但更讓他們稱奇的是，台灣竟然能在這麼大的地震之下，將傷害降到這麼低，並迅速恢復。不禁讓人想問，自從 25 年前的 921大地震以來，台灣經歷了哪些改變？哪些地方可能再發生大地震？如果只是遲早，我們該如何做好更萬全的準備？
要找到這些問題的答案，最合適的地點就在一座從地震遺跡中冒出的主題博物館：國立自然科學博物館的 921地震教育園區。
1999年9月21日凌晨1點47分，台灣發生了一場規模7.3的大地震，震央在南投縣集集鎮，全台 5 萬棟房子遭震垮，罹難人數超過 2,400 人。其中，台中霧峰光復國中校區因車籠埔斷層通過，地面隆起2.6公尺，多棟校舍損毀。政府決定在此設立921地震教育園區，保留這段震撼人心的歷史，並作為防災教育的重要基地。園區內兩處地震遺跡依特性設置為「車籠埔斷層保存館」和「地震工程教育館」。
車籠埔斷層保存館建於原操場位置，為了保存地表破裂及巨大抬升，所以整體設計不採用樑柱結構，而是由82根長12公尺、寬2.4公尺、重約10噸的預鑄預力混凝板組成，外觀為曲線造型，技術難度極高，屬國內外首見，並榮獲多項建築獎。而地震工程教育館保留了原光復國中受損校舍，讓民眾親眼見證地震的驚人破壞力，進一步強調建築結構與安全的重要性。毀損教室旁設有由園區與「國家地震工程研究中心」共同策劃的展示館，透過互動展示，讓參觀者親手操作，學習地震工程相關知識。
國立自然科學博物館地質學組研究員蔣正興博士表示，面積上，台灣是一個狹長的小島，卻擁有高達近4000公尺的山脈，彰顯了板塊激烈擠壓、地質活動極為活躍的背景。回顧過去一百年的地震歷史，從1906年的梅山地震、1935年的新竹-台中地震，到1999年的921大地震，都發生在台灣西部，與西部的活動斷層有密切關聯，震源位於淺層，加上人口密度較高，因此對台灣西部造成了嚴重的災情。
而台灣東部是板塊劇烈擠壓的區域，地震震源分佈更廣。與西部相比，雖然東部地震更頻繁，但由於人口密度相對較低，災情相對較少。此外，台灣東北部和外海也是地震多發區，尤其是菲律賓海板塊往北隱沒至歐亞板塊的隱沒地震帶，至沖繩海槽向北延伸，甚至可能影響到台北下方，發生直下型地震，這種地震因震源位於城市正下方，危害特別大，加上台北市房屋非常老舊，若發生直下型地震，災情將非常嚴重。
除了台北市，蔣正興博士指出在台灣西部，我們特別需要關注的就是彰化斷層的影響，該斷層曾於1848年發生巨大錯動。此外，我們也需要留意西南部的地震風險，如 1906 年的梅山地震。此兩條活動斷層距今皆已超過 100 年沒活動了。至於東部，因為存在眾多活動斷層，當然也需要持續注意。
我們之所以擔心某些斷層，是因為這些區域可能已經累積了相當多的能量，一旦達到臨界點，就會釋放，進而引發地震。地質學家通常會沿著斷層挖掘，尋找過去地震的證據，如受構造擾動沉積物的變化，然後透過定年技術來確定地震發生的時間點，估算出斷層的地震週期，然而，這些數字的計算過程非常複雜，需要綜合大量數據。
挑戰在於，有些斷層的活動時間非常久遠，要找到活動證據並不容易。例如，1906年的梅山地震，即使不算久遠，但挖掘出相關斷層的具體位置仍然困難，更不用說那些數百年才活動一次的斷層，如台北的山腳斷層，因為上頭覆蓋了大量沉積物，要找到並研究這些斷層更加困難。
儘管我們很難預測哪個斷層會再次活動，我們仍然可以預先對這些構造做風險評估，從過往地震事件中找到應變之道。而 921 地震教育園區，就是那個可以發現應變之道的地方。
在園區服務已 11 年的黃英哲擔任志工輔導員，常代表園區到各地進行地震防災宣導。他細數 921 之後，台灣進行的六大改革。制定災害防救法，取代了總統緊急命令。修訂了建築法規，推動斷層帶禁限建與傳統校舍建築改建。組建災難搜救隊伍，在面對未來災害時能更加自主應對。為保存文化資產，增設了歷史建築類別，確保具有保存價值的建築物得到妥善照料。
最後，則是推行防災教育。黃英哲表示，除了在學校定期進行防災演練，提升防災意識外，更建立了921地震教育園區，不僅作為教育場所，也是跨部門合作的平台，例如與交通部氣象署、災害防救辦公室、教育部等單位合作，進行全面的防災教育。園區內保留了斷層線的舊址，讓遊客能夠直觀地了解地震的破壞力，最具可看性；然而除此之外，園區也是 921 地震相關文物和資料的重要儲存地，為未來的地震研究提供了寶貴的資源。
堪稱園區元老，在園區服務將近 19 年，主要負責日語解說工作的陳婉茹認為，園區最大的特色是保存了斷層造成的地景變化，如抬升的操場和毀壞的教室場景，讓造訪的每個人直觀地感受地震的威力，尤其是對於年輕的小朋友，即使他們沒有親身經歷過，也能透過這些真實的展示認識到地震帶來的危險與影響。
陳婉茹回憶，之前有爸媽帶著小學低年級的小朋友來參觀，原本小朋友並不認真聽講，到處跑來跑去，但當他看到隆起的操場，立刻大聲說這他在課本看過，後來便聚精會神地聽完 40 分鐘的解說。
 |  |
除了每看必震撼的地景，園區也透過持續更新策展，邀請大家深入地震跟防災的各個面向。策展人黃惠瑛負責展示設計、活動規劃、教具設計等工作。她提到，去年推出的搜救犬特展和今年的「921震災啓示展」與她的個人經歷息息相關。921 大地震時的她還是一名台中女中的住宿生，當時她儘管驚恐，依舊背著腿軟的學姊下樓，讓她在策劃這些展覽時充滿了反思。
在地震體驗平臺的設計中，黃惠瑛強調不僅要讓觀眾了解災害的破壞力，更希望觀眾能從中學到防災知識。她與設計師合作，一樓展示區採用了時光機的概念，運用輕鬆、童趣的風格，希望遊客保持積極心態。二樓的地震體驗平臺結合六軸震動臺和影片，讓遊客真實感受921地震的情境。她強調，這次展覽的目標是全民，設計上避免了血腥和悲傷的元素，旨在讓觀眾帶著正向的感受離開，並重視防災意識。
籌備今年展覽的最大挑戰是緊迫的時間。從五月開始，九月完成，為了迅速而有效地與設計師溝通，黃惠瑛使用了AI工具如ChatGPT與生成圖像工具，來加快與設計師溝通的過程。
蔣正興博士說，當初學界建議在此設立地震教育園區，其中一位重要推手是法國地質學家安朔葉。他曾在台灣指導十位台灣博士生，這些博士後來成為地質研究的中堅力量。1999年921大地震後，安朔葉教授立刻趕到台灣，認為光復國中是全球研究斷層和地震的最佳觀察點，建議必須保存。為紀念園區今年成立20週年，在斷層館的展示更新中，便特別強調安朔葉的貢獻與當時的操場圖。
此外，作為 20 週年的相關活動，今年九月也將與日本野島斷層保存館簽署合作備忘錄（MOU），強化合作並展示台日合作歷史。另一重頭戲則是向日本兵庫縣人與自然博物館主任研究員加藤茂弘致贈感謝狀，感謝他不遺餘力，長期協助園區斷層保存館的剖面展品保存工作。
 |  |
盡力保存斷層跟受創校舍，只因不想再重蹈覆徹。蔣正興博士表示，921地震發生在車籠埔斷層，其錯動形式成為全球地質研究的典範，尤其是在研究斷層帶災害方面。統計數據顯示，距離車籠埔斷層約100公尺內，住在上盤的罹難率約為1%，而下盤則約為0.6%。這說明住在斷層附近，特別是上盤，是非常危險的。由於台灣主要是逆斷層活動，這一數據清楚告訴我們，在上盤區域建設居住區應特別小心。
2018年花蓮米崙斷層地震就是一個例證。
在921地震後，政府在斷層帶兩側劃設了「地質敏感區」。因為斷層活動週期較長，全球大部分地區難以測試劃設敏感區的有效性，但台灣不同，斷層活動十分頻繁。例如 1951 年，米崙斷層造成縱谷地震，規模達 7.3，僅隔 67 年後，在 2018 年再次發生花蓮地震，這在全球是罕見的，也因此 2016 年劃設的地質敏感區，在 2018 年的地震中便發現，的確更容易發生地表破裂與建築受損，驗證了地質敏感區劃設的有效性。
在過去的20年裡，921地震教育園區不僅見證了台灣在防災教育上的進步，也承載著無數來訪者的情感與記憶。每一處地震遺跡，每一項展示，都在默默提醒我們，那段傷痛歷史並未走遠。然而，我們對抗自然的力量，並非源自恐懼，而是源自對生命的尊重與守護。當你走進這座園區，感受那因地震而隆起的操場，或是走過曾經遭受重創的教室，你會發現，這不僅僅是歷史的展示，更是我們每一個人的責任與使命。
來吧，今年九月，走進921地震教育園區，一起在這裡找尋對未來的啓示，為台灣的下一代共同築起一個更堅固、更安全的家園。
延伸閱讀：
高風險？ 家踩「斷層帶、地質敏感區」買房留意
「我摸到台灣的心臟！」法國地質學家安朔葉讓「池上斷層」揚名國際
百年驚奇－霧峰九二一地震教育園區｜天下雜誌
討論功能關閉中。
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。
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。
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。
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。
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）
更多精彩內容請上知識大圖解
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。
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）
更多精彩內容請上知識大圖解
