《排球少年!!》在排球場中常發出的啾啾聲，到底是什麼的聲音？──《空想科學讀本》

溫度影響剎車的抓力

雖然似乎有點違背直覺，但是煞車是高速駕駛不可或缺的一環。不管是在哪個賽車場，駕駛的目標之一就是保持在賽道的最佳路徑（racingline）—繞行賽道的最短路徑。所以駕駛過彎時不會沿著急轉彎處長長的外彎道前進，而是「夾著」彎道的內側，稱為彎頂點（apex，即過彎路線中最接近彎道內側的點）的地方，以將他們必須行駛的距離縮到最短。

這麼做需要非常精準的煞車：要在剛剛好的時間對煞車踏板施予剛剛好的壓力。當他們辦到時，駕駛就會出現在賽道轉彎處的絕佳位置，且依然帶有征服下一段賽程所需的速度。但是這樣的開車方式會耗損煞車；而且有些賽道沒什麼機會可以讓煞車冷卻。

以世界知名的摩納哥街賽道來說。雖然僅長3.34 公里（2 哩多），是F1 賽程中最短的賽道，但是卻必須不斷踩煞車和加速。煞車製造商布雷博（Brembo）指出，2019 年賽季中，駕駛們每一圈使用煞車 18.5 秒，多過總賽程的四分之一。

在需求最高的轉彎處，汽車要在不到 2.5 秒的時間內將時速從 297 公里（185 哩）減至 89 公里（55 哩）；這會將大量動能快速轉換成熱能，難怪煞車碟盤會冒出火花。為了要負荷這樣龐大的熱負載，製造商在每個煞車碟盤的邊緣鑽入細小的徑向孔—數量超過 1000 個。

這樣的小孔可以增加煞車碟盤的表面積，比較容易散熱。但是也具有通氣孔的功能。與安裝在各個輪框上的大型冷卻管相結合時，可以把冷空氣拉入煞車碟盤中心，把熱空氣從邊緣帶走。還有個額外優點，這些F1 煞車碟盤相當輕，重量約各為1 公斤（2.2 磅），相較之下，差不多大小的鑄鐵煞車碟盤則為 15 公斤（33 磅） 。

所以為什麼不全面使用這種煞車碟盤呢？有個原因是價格—每片煞車碟盤可能要價高達 2000 美元（約 1500 英鎊） ，而且要六個月的時間才能製成。它們也不太耐久，通常每次比賽後就得更換。最後，它們受限於一定的工作溫度，只能處於 350 ∼ 1000℃。

低於溫度下限時，它們幾乎不具有停止能力—煞車片與煞車碟盤無法產生足夠的抓力。但是如果煞車的溫度高於上限值太久，則會災難性地失靈。如馬歇爾對我描述的，「彷彿在踩縫紉機。當這種狀況發生時，煞車碟盤耗盡『材料』的速度有多快，簡直難以置信。」

科技有助於車隊和駕駛控制他們的煞車，但是就跟 F1 的大部分狀況一樣，沒那麼簡單。冷卻管的大小與形狀可控制流經煞車碟盤的空氣量，所以你可以想像管子愈粗愈好。

但是如 F1 傳奇工程師帕特．西蒙茲（PatSymonds）告訴《賽車工程》（Racecar Engineering）雜誌的，冷卻有其後果：「遇到像蒙特羅這樣需要一直踩煞車的賽道，我們被迫使用一些該賽季最粗的管子。從最細的冷卻管換到最粗的冷卻管，會犧牲 1.5％的空氣動力學效率，這代表最高速度時速會減少 1 公里。」

我可以想像這會引發車隊的煞車工程師與他們的空氣動力學家爭辯。就連測量煞車配件的溫度都不容易。馬歇爾告訴我，在奧斯頓馬丁 F1 車隊中，他們會在煞車片的安裝托架中埋入高溫的熱電偶，和一系列直接朝向煞車碟盤的遠紅外線感測器。電視轉播賽事時偶爾會出現的彩色熱影像，主要是為了給我們這些觀眾看—顯示出他們建議的最高溫度。

摩擦介面與溫度控制

煞車片與煞車碟盤之間還有另一個重要的過程是磨耗。所有滑動與摩擦都會對兩個表面造成實質傷害；每次煞車作動，兩者都會有微粒破裂。在煞車系統的使用期間，這會逐漸降低材料的摩擦係數—換句話說，會失去它們的抓力。

但這不只是因為彼此的表面被「磨光」，或是失去黏性。磨耗也會形成摩擦膜（tribofilm）這種東西—煞車片與煞車碟盤相接觸時壓碎的一層非常薄的細粒狀材料。「談到磨耗與摩擦力，摩擦膜非常有影響力，」英國里茲大學（University of Leeds）的沙赫里爾．柯沙利（Shahriar Kosarieh）說。

「我們把這層膜視為『第三體』，因為儘管它是由互相滑動的那兩種材料製成，其化學與機械性質還是與那兩種材料不同。」關注各式各樣市售鑄鐵煞車片的德國研究人員發現，無論煞車片是什麼材質，形成的摩擦膜總是會受到氧化鐵（Fe3O4）控制，其他成分的影響力則相當微弱。

「摩擦膜會控制散熱，且能減少摩擦力—它會主導性能，」柯沙利繼續說道。「煞車製造商很清楚這一點，調配自己的煞車片配方時會考量這一點。煞車片與煞車碟盤要互相搭配，才能產生最佳性能。只要你更動了任一個材料，就會改變界面產生的結果。」

柯沙利最近的研究關注鑄鐵煞車碟盤輕量替代物的摩擦表現，這些輕量煞車碟盤主要都是鋁製。不只有他這麼做—整個汽車產業都對減輕重量很執著，主要是因為汽車的重量愈輕，消耗的燃料就愈少，環境影響也愈少。目前是以鋁為主流。

「那是一種低密度金屬，約比灰鑄鐵（grey cast iron）還低 2.5 倍，所以減輕重量的可能性很高，」他跟我在電話中閒聊。「鋁的導熱性也很高，在表面形成的氧化物也具有一些防蝕效果。」把鋁合金與碳化矽等硬質陶瓷材料結合也能提升其強度。

「但是鋁的問題在於當溫度高於400℃時會開始熔化。就煞車而言，這代表摩擦力突然銳減，也是你能想像最糟的狀況。所以更加促使工程師更努力找出方法，既能讓表面有比較好的熱穩定性，使用壽命又能更持久。」

對柯沙利而言，最有意思的其中一種方法是電漿電解氧化（plasmaelectrolytic oxidation, PEO），這是用一個電場在鋁的表面形成一層複雜又高度耐磨的薄層。當他測試各種不同以電漿電解氧化處理過的鋁盤性能時，發現有些可以撐過約 550℃。不過，許多案例的摩擦係數太低—低於實際煞車系統所需的最低閾值。

柯沙利並不洩氣。「煞車是整個系統一起作動。如果你拿到一個新的煞車碟盤，那你也需要把對位碟盤調整到最佳狀態。製造商設計出專供電漿電解氧化塗層煞車碟盤使用的新煞車片配方。」我只找到幾篇已發表的研究，結合了電漿電解氧化煞車碟盤與這些新的摩擦片，但是結果看起來大有希望。輕量的鋁製煞車在未來的道路車輛上可能有機會亮相。

F1 在 1970 年代晚期為它們的煞車碟盤和煞車片找到了不同的解決方法，從那時候起就沿用至今：一種稱為碳－碳（carbon-carbon）的材料，在石墨基質裡包埋高度有序的碳纖維。其散熱效果非常好，所以也用在太空梭上。雖然它聽起來可能跟F1 賽車底盤用的碳纖維很類似，但其實是非常不一樣的猛獸。

製造碳－碳很緩慢且複雜，此材料是由原子薄層堆疊成層。它在摩擦力方面勝出，提供的抓力比傳統煞車配件高 2 倍（在其理想工作溫度範圍內）。但是那並非魔法。在競速的壓力之下，這種材料終究會磨耗殆盡，部分是由於摩擦，但也有化學方面的因素。溫度上升時，碳－碳會與空氣中的氧氣產生反應，而氧氣會提高其劣化程度。你有時候會看到F1 駕駛大力踩煞車時冒出黑塵，這就是原因。

藉由感測器數據調整剎車系統

這個過程代表車隊需要監測的煞車項目不只是溫度。馬歇爾跟我說，他們會使用壓力感測器留意流經管子的氣流。他們也有針對磨耗的電子感測器，可以測量胎側的活動。

「我們使用這些儀器測量煞車片還能接觸煞車碟盤多久。由此可以推論總磨耗程度—也就是煞車片與煞車碟盤的磨耗總和。」為了推算總磨耗比例與煞車片的關係，以及對煞車碟盤的磨耗程度，車隊會把感測器數據對照以往試駕和賽事所蒐集的煞車數據。

「我們可以從所有資料中追溯比賽時的磨耗速率。如果太快，我們可以調整煞車平衡，以免磨耗最高的車輛壽終正寢，或可以請駕駛找一些乾淨的空氣冷卻煞車。」不管怎麼做，目標都是確保駕駛在需要的時間和地點擁有阻擋能力。任一賽季都會面臨數以千計的彎道，這些系統，當然還有駕駛，都表現卓越。

——本文摘自《黏黏滑滑》，2022 年 11 月，晨星出版，未經同意請勿轉載

你在長大過程中（應該是小時候），或許曾心血來潮，想挖個從美國通到中國的洞。你甚至可能動手過，在海灘挖了差不多一公尺。

現在你年紀增長，更有毅力了。假設你下次到了海邊，完成童年時的未竟志業，挖了個穿過地球、深達八千哩（約一萬兩千八百公里）的洞，然後一股腦跳下去。

接下來會怎樣？

問題一：起點很重要

首先，得看你從哪裡開始挖。你的確切起點很重要。別以為中國就在美國的對面。這是錯誤的觀念。事實上，如果你從美國大陸開始挖，最後會溺斃在印度洋。若想在美國挖洞，最後在乾燥的陸地上冒出，得從夏威夷海灘上開始挖，最後你會在波札那的狩獵保護區冒出來。

問題二：摩擦摩擦，直到你剩一攤爛泥

但從夏威夷開始挖也有問題。地球外殼的旋轉速度比內部要快得多，和旋轉木馬一樣。你站在夏威夷海灘上，會比地球核心的移動速度每小時快八百哩（約一千兩百八十七公里）。因此，當你跳進洞裡之後，會一路摩擦著岩壁往下，而朝著另一頭往上時，背部也會摩擦岩壁。

要是摩擦速度慢，你只會輕微擦傷。但高速墜落時，持續擦傷會把你的皮膚與骨頭磨光，直到你只剩一攤爛泥。

要避免摩擦致死，最聰明的方法是從南極或北極開始挖，這裡地表的旋轉速度與核心的旋轉速度差不多。

這是第一步驟。不過，跳進穿過地球的洞穴，風險可不只擦傷致死而已。

人體在海平面以屈體墜落時，終端速度約為時速兩百哩（約三百二十公里）。以這種速度墜落八千哩需要四十小時。換言之，你大可以照一般的方式訂機票，中間經過轉機幾次的折騰後，便能抵達波札那。但假設你不趕時間，花四十小時也無妨。只是，你仍舊不可能通過地球。

問題三：重量減少、空氣密度增加，讓你「漂」在半途

你在幾秒鐘之後，速度就會慢下來。原因有二。

首先，接近地球中央時，就沒有那麼多的地球重力把你往下拉，這表示你的重量會減少 ，墜落速度也跟著變慢。但第二個原因則比較危險：空氣變厚重。

海拔八千八百四十八公尺的聖母峰是地球最高點，那高度沒有太多大氣來壓縮空氣，因此地表的空氣會比較稀薄，只有受過良好訓練的登山者才可能生存。

你往反方向前進時，則會發生相反的情況。

由於上方的大氣增加，你墜落過程的空氣也會越來越受壓縮。你才僅僅墜落六十哩（不到全程的一％，約九十七公里），空氣的密度已和水一樣。你會下沉一會兒，但後來就達到平衡狀態，屆時空氣和你的密度一樣。因此，你永遠會「漂」在地球裡。

由於大氣壓力會擠壓你的氣室，因此你在地球內部的密度也會比目前還高，並且沉得比你預期得深。但你還是到不了地球的另一端。

顯然，這個沙坑需要重新設計一下。要解決空氣密度的問題，就是抽光隧道中的空氣再封起，使之成為長長的真空管。這就解決了漂浮與移動速度太慢的問題，你現在會以時速一萬八千哩的速度（約兩萬九千公里），尖叫著通過地球中心，而非卡在半途。

問題四：超高溫將你全身汽化

可惜，這條隧道還是不能安全使用。俄羅斯人曾挖掘過世界上最大的沙坑，他們證實：地球中心太熱了。

俄羅斯的沙坑稱為「科拉超深鑽孔」（Kola Superdeep Borehole），是一項從一九七○年開始、為期二十二年的龐大計畫，目的只是想了解他們能挖得多深。蘇聯在一九八九年已經挖到四萬呎（十二．四公里），後來因為鑽頭焊接處遇到高溫熔化，計畫才告終。即使他們才挖了地球不到○．一％的深度，溫度即已上升到一百八十度。

根據經驗法則，從地表往下每挖一百呎（約三十公尺），溫度就會上升攝氏約零．五六度，也就是墜落兩秒，你大概就會覺得變暖○．五六度。沒什麼大不了。但你在新真空管中，會加速得非常快。

三秒後，隧道中的溫度會提高一．五度，三十秒後，就和烤箱一樣暖。這可不舒服，但你卻能存活超長一段時間。十八世紀，英國科學家查爾斯．布萊格登爵士（Sir Charles Blagden）把一間房間加熱到一百零五度，在裡頭坐了十五分鐘，毫髮無傷地走出來。不過，布萊格登爵士所在的房間不像你的隧道那樣越來越熱。三十秒後，你或許還活著，但這個洞會繼續變熱。再過三十秒，你前進十三哩（約二十一公里），溫度已經抵達五百三十八度。若你帶了加熱即食的披薩，這時已可以吃了，當然你自己也已經熟了。

但情況越來越糟。你仍無法抵達地球另一端。

地球中心的溫度高達六千一百度，比太陽表面還燙。在那溫度下，你的身體會立刻汽化，電子遭撕碎，剩餘部分也將變成零碎的電漿。

所以，我們又得繼續更改你的隧道設計。

如果我們把這隧道的隔熱功能做得非常、非常好（當然不可能做到）。你能順利抵達嗎？

問題五：能量守恆，小心變成地球版盪鞦韆

假設沒有撞到隧道的岩壁，且排除了導致速度變慢、抵達另一端時身體東缺一塊西缺一塊的因素，那麼你在時速一萬八千哩的情況下，只要十九分鐘即可來到地球中心。一旦你通過中心，速度又會開始變慢，因為地球會開始把你拉回。但就像遊樂場的鞦韆，你的動能會把你推回一開始的高度──在這情況下，就是地球的另一邊。

如果忽略目前科技無法在地球核心的極端溫度與壓力下挖掘的問題，你可能抵達地球另一端嗎？可以！大約三十八分十一秒，即可抵達地球另一端。到時候要扶好彼端的地面。

要是沒扶好，你就得重來一遍了。

本文摘自《然後你就死了：被隕石擊中、被鯨魚吃掉、被磁鐵吸住等45種離奇死法的科學詳解》，2018 年 5 月，臉譜出版。

身為一名訓練師，你真的了解你的寶貝們嗎？寶可夢圖鑑讀熟了沒？

其實圖鑑告訴你的比想像中的還多喔！每個星期周末跟著 R 編一起來上一門訓練師的科學課吧！來跟大家分析這些寶可夢們是如何使用科學力來戰鬥的。

在Y編的百般詢問之下（其實是我自我放逐~~~），R編決定來繼續「科學寶可夢」這個專題。（y編按：已經富奸太久了！！！！！！）儘管寶可夢有點退燒了，但這充滿空想、奇幻又可以用科學來驗證、討論的世界，對我們科學青年科宅根本是個遊樂場~ 不是嗎？

第二世代打頭陣的熱學謎團  #157 火爆獸

像最一開始一樣，我們先從某隻御三家開始說起。而由於菊草葉-月桂葉-大竺葵的介紹幾乎都是曬太陽、有香味、跟大自然互動等有關，老實說……感覺超無害的。然後當我看到火球鼠的最終進化型火爆獸時，整個反差萌就出來了。

「當牠生氣的時候，體溫會上升，任何碰到的東西都會立刻燒起來。」—金、紅寶石、藍寶石、葉綠、綠寶石、心金、X

「牠有一個大絕招……用力摩擦自己的毛產生爆炸。」–銀、火紅、魂銀、Y

這一看就知道不得了！！[注1]

這裡有兩個現象需要驗證，一個就是火爆獸的身體能夠產生夠誇張的高溫，高到能夠讓牠碰到的東西立刻燒起來；二來是能藉由摩擦毛皮讓氣體膨脹，進而產生爆炸。

雖然前者沒有詳細講產生高溫的方法，後者沒有說磨擦和爆炸之間是什麼關係[注2]，但我們可以試著綜合一下這些現象之間的物理學~~

摩擦生熱~~聽起來很簡單嘛~

「生熱」的方式很多種，例如化學反應、吸收輻射、物理運動時正常的能量釋放……等，都會放出熱量，當然只要夠熱、能達到燃料的燃點並有氧氣，就可以生火，但再開放其他選項給火爆鼠之前，就先來研究一下它圖鑑中有指名道姓的摩擦生熱。

任何物體~我再重複一次~~任何物體 的表面都不是完全光滑的，就算是冰塊也一樣。微觀上，當你把兩個物體表面彼此接觸時，兩邊的分子、原子會開始吸引對方，產生一種暫時的鍵結，每當你摩擦、移動的時候這些鍵結就會被打斷，消耗你的一些力氣，但同時為了保持能量守恆，這些能量就會化為熱量釋放出來。

在日常生活中你對摩擦生熱一定也不陌生，在這篇文章出現的季節你可能不時會搓幾下手，只為了求得那短短一瞬間的溫暖，但從來沒聽說過有人因此而灼傷，或是手就然燒起來的[注3]，事實上，光是雙手合十用力搓個幾分鐘就相當累了，而這裡卻有一個傢伙不只能讓自己覺得好溫暖、還能讓任何東西燒起來。

而要計算摩擦生熱的過程其實相當複雜，一言以闢之，它的公式長這樣。

簡單的說，這個公式就是計算每一分一寸火爆獸移動的毛都會產生一點熱量，然後沿著身形把這些熱都加起來，這個時候真的很希望真的有一隻現實存在的火爆獸能夠給我們測量表面積、毛皮密度和毛皮組成了[注4]，但在自己估算這些東西真的有困難的情況下，只好先從簡、從讓一個物體燃燒的最低要求開始討論起。

可能是全世界最摸不得的寵物

燃燒有三要素：氧氣、燃料、溫度，其中氧氣無所不在，而且毛髮空隙中一定很多氧氣，所以這個條件就是為已經達成好了。至於要滿足剩下兩個條件，火爆獸有兩條路可以走，一是單純的把自己的身體加熱到滿足物體的自燃點；二是身體先產生火花，在燃燒任何碰到的東西。

自燃點指的是常壓下，只要外部沒有火花、火焰等火源點燃時，一個物體會自己燃燒的最低溫度。用這個方法最大的難題就是這需要火爆獸自己產生難以置信的高溫[注5]，例如乾燥的木頭自燃點介於 300~400℃、煤的自燃點有 700℃、而有機氣體如烷烯炔則有高有低，高如甲烷有 537℃而庚烷則只有 215℃。

所以要讓所有找的到的燃料自燃燒起來的話，火爆獸大概也要加溫到 800℃以上，但要靠摩擦產生這樣的高溫，火爆鼠的毛皮應該要像橡皮那樣具有高摩擦係數，而且在短小的空間內以驚人的速度來回移動，就算如此還不一定能有這種溫度呢～

而且如果還要滿足「碰到任何東西都會立刻燒起來」……這怎麼可能……

燃燒、爆炸一次搞定的好方法

不過火爆獸也可以不需要這麼拼命的摩擦生熱，因為靠第二種方法，生理上或許可以容易一點，也可以達到圖鑑的第二條敘述，就是他自己可以先產生火花。

我們現實生活中就有個靠摩擦生熱而且起火相當輕鬆的實例，就是火柴。

火柴頭是由一些相當易燃的物質製成的，例如氯酸鉀和硫磺，而用來摩擦的盒子表面是由紅磷、玻璃粉等物質組成的，當你不快也不慢一抹，火柴與磷皮接觸面可以達到大概200~300℃之間，這時候火柴就會燃燒。

而且現在的火柴這樣設計已經是因為安全目的了，如果不要命一點的話還可以改成其他物質，例如白磷，只要今天稍微熱一點……火爆獸就能自動燒起來喔~ 但如果繼續使用紅磷的話，只要火爆獸的毛有這些成分並能夠彼此摩擦就好了，而且剛剛好火球鼠一脈背上都有奇怪的紅色毛皮，難不成那些是產生爆炸的關鍵嗎？

爆炸，可以從物理和化學的方法來解決，其中化學比較直觀一些：其實只要火爆獸的毛有部分是火藥組成，然後他身上有能力產生火花，產生爆炸就不難了，不過前提是牠自己能撐過去[注6]。

稍微目測一下，那些斑點差不多是0.02平方公尺的圓形，大概有4塊這樣的毛皮，假設他們厚2公分，然後它們100%都是火藥構成的（反正只要有一點火花就好了，乾脆點），這樣差不多是00016立方公尺的火藥。

如果牠每一次一點火，這麼多的火藥就爆炸，會有多少威力呢？

TNT的密度是1.654 g/cm³，經過計算之後，這幾塊毛差不多能提供大概約2.5公斤的炸藥，每一公斤的TNT能釋放400萬焦耳的能量，2.5公斤分量的話，這威力足以炸掉2台小轎車。

所以這下子組成火爆鼠的完美元素們都達成了，在博士和訓練師高興之餘，要記得不要在他生氣的時候用抱抱安撫他喔~ 要不然小心身首異處…..

編注：

1. 從火球鼠開始，這三隻寶可夢的介紹都是清一色的「生氣會捲起來」、「從背上噴火保護自己」、「越生氣火焰越強」、「會背對對手，用火焰攻擊」，老實說感覺好像都是同一個人寫的，火爆獸是唯一個相關描述比較明確的了。
2. 單純的看「摩擦」和「爆炸」彼此真的沒有絕對的關係，像車子開久了，輪胎和馬路磨擦磨久了也不會爆炸，但如果考慮到溫度、壓力等就有可能，但單純字面上真的一點關聯都沒有。
3. R編抱著好奇的心情搜尋了：「用手摩擦生熱世界紀錄」，還真的找到一位美國人，在2010年留下紀錄，靠著磨擦手增加6℃…..雖然我不知道花了多久，但感覺很真的很偉大啊 ~
4. 這裡我原本想加上對火爆獸毛皮的推測，用物質之間摩擦係數的高低來判斷他的毛皮是用什麼做的。但發現線索真的不多，而且摩擦係數高的物質看起來都不向是生物身上長得出來的東西，所以就算了。
5. 在跟之前火伊布、鴨嘴火龍、噴火龍相比，800℃真的是小菜一疊，所以我也不知道我在擔心什麼～延伸閱讀：科學寶可夢 #126、136 火伊布、鴨嘴火龍：燙也該有個限度
6. 如果不顧人命和自身安危的話，可以使用白磷，自燃點只比30℃高一點，所以很容易就產生高溫，而且物質本身具有毒性，作為軍事武器很危險，所以國際已禁用，如果火爆獸真的用白磷的話，可能屬性還要多一個毒屬性。

資料來源：

1. Engineer Toolbox
2. Discovery： Mythbuster
3. How Stuff Works
4. Scientific pokedex