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【密技】認真就輸了?科學解析《Dr.STONE 新石紀》(更新至第14話)

樓主 Celeste_蔚晴 celestepile
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(系列鎮樓圖)

近年來以動漫畫為媒介的科普作品越來越多,而這一季就有《Dr.STONE 新石紀》這麼一部披著科學外衣的少年漫畫作品被動畫化了。
雖然是虛構故事,但作者表示故事情節皆有經過理論考據,並不是隨便亂畫的。
化學是一門實證科學,很多時候即使原理上行得通,但受制於反應條件、環境及操作手法,無法在實作中實現,或是即使實現良率也會非常低。
在接下來的文章,我會先代大家認識劇情中的科學原理,再評估以劇中的情況這樣的情節是否合理。


《Dr.STONE 新石紀》第1話

一、極限釋放費洛蒙的「一見鍾情

 費洛蒙(pheromone),又譯作訊息素。其功能是通過分泌至體外,讓同物種的其他個體經由嗅覺器官接收,進而達到影響其生理、心理的目的。
 在劇情中,千空為了給大樹的告白助威而拿出了「一見鍾情藥」,號稱可以透過讓費洛蒙極限加速釋放,而讓告白必定成功。由此我們可以推斷,這個藥物的作用,與性費洛蒙相關。

 性費洛蒙在動物的繁衍扮演很重要的角色。雌性動物留下的性費洛蒙隱含著兩個重要資訊:
1.告知自己的位置,以便讓雄性動物找到。
2.告知自己是否處於發情期,為了求偶而來的雄性才不會撲空。
 而相對的,雄性動物的性費洛蒙,則會告知自己的生物資訊,從而避免近親交配之類的。

 但是,在人類身上,這套理論並不能百分之百適用。因為,人類並不存在發情期,所以人類的性費洛蒙,通常只會讓異性產生如同X過的幸福感。雖然目前研究亦指出,男性在女性的性費洛蒙影響下,會做出較為浪漫的求愛舉動,但如果那個人本來就是個超級不懂女人心的傢伙...其實費洛蒙的幫助真的有限。
 而如果按照劇情中所說的「讓費洛蒙極限加速釋放」,那可能迎來的就不是告白成功,而是約X成功了,因為這麼大量的性費洛蒙有可能引發很強烈的性衝動

 因此,雖然目前生物學界對於人類性費洛蒙的作用還不是完全清楚,但我個人認為這樣的情節並不合理

二、從寶特瓶的瓶蓋提煉汽油

 首先,我們要先複習一下國中理化曾經學過的石油分餾

 原油是由許多種不同的烷類、芳香族化合物所組成的成份十分複雜的混和物,而分餾便是透過沸點的不同來將這些化合物作粗略的分離。由表中可以看到,所謂的「汽油」大約落在7–9個碳的化合物。
 另一方面,千空又提到「寶特瓶蓋」和「聚乙烯」兩個原料。乙烯也是石油分餾之中可以獲得的一個成份,而透過化學方法將小分子的乙烯聚合成大分子,便是所謂的聚乙烯(PE塑膠)。乙烯(H₂C=CH₂)是一個2個碳的小分子,而聚乙烯根據其密度,可以由數百至數百萬個不等的乙烯分子聚合而成。

 故事中千空說得並不是很清楚,我姑且理解為是他使用了聚乙烯為原料來合成汽油,也就是要以數百個碳的超大分子為起始物,合成7–9個碳的小分子。除了燒掉以外,生物降解是目前分解聚乙烯最理想的手段。目前已有文獻指出,不動桿菌屬的細菌(Acinetobacter sp. 351)可以分解約數百個碳的低密度聚乙烯,但是分解後的產物會作為細菌本身的營養源,而在呼吸作用之後以二氧化碳的形式釋放。捕捉二氧化碳合成其他有機化合物是非常沒有經濟效益的手段,目前最有效率的方法是植物的光合作用,但人類目前的科學還無法有效的模擬這個生化反應。

 另外,目前也有文獻指出,透過光解和熱解的手段,可以將聚乙烯分解成小分子的烷類、醇類和酮類等,而這或許是最接近的答案了。只不過,透過這個方法所得到的產物,還是會需要進一步的轉換和純化,才可以得到成份接近市售且安全的汽油。簡單來說,你直接去加油站買一桶汽油都還比較省時省力,外加省錢省能量。

 結論是,用寶特瓶瓶蓋來合成汽油,至少以現代的技術來看是不合理的

三、用野生葡萄釀酒

 釀酒的基本原理是利用酵母菌,以果汁中的醣類為原料行酒精發酵而得。由於酵母菌幾乎可以說是滿地都是,要私釀酒並沒有太大的問題。
 但問題是,要釀酒是需要無氧環境的。當周圍的環境中有氧氣時,酵母菌只會行普通的呼吸作用,也就是產生二氧化碳,並不會產生酒精。所以一般來說釀酒都會密封,為的就是讓酵母菌經由呼吸作用將密封罐中的氧氣耗盡後,可以進行酒精發酵。更重要的,在沒有隔絕空氣的條件下,其他的好氧菌也會繁殖,進而導致果汁快速酸敗
 更何況,這兩個傢伙搾汁的方法還是用腳踩咧...說這裡面沒有很多細菌,打死我都不信。

 因應下方觀眾留言提醒,這裡做個小更新再解釋清楚一點。
 用腳踩破葡萄來釀酒這招確實是有的,從古希臘傳入歐洲,甚至有「不是腳踩破的葡萄釀的酒不好喝」這種說法。以腳踩破葡萄的好處是,可以把葡萄皮中的色素和單寧揉入果汁中,而且不會踩破葡萄籽,讓苦味混入酒中。另一方面,野生葡萄的表面本就含有許多酵母菌,而且在釀酒的過程中,酵母菌是優勢物種,酵母菌的生長本身就會阻止雜菌增生,產生的酒精也可以消毒,因此也不需要額外進行殺菌。
 但是最大的問題還是上述所提到的密封。因為酒精發酵所能獲取的能量(1分子葡萄糖生成2分子ATP)遠較有氧呼吸所獲取的能量(1分子葡萄糖生成32分子ATP)要少,所以在有氧環境下酵母菌不會進行酒精發酵。
 雖然我也懷疑過會不會是為了戲劇效果才刻意誇大踩的動作,而且就演出效果來說確實也沒有必要把洗腳之類的細節描寫出來,不過至少不加蓋這點確實是原作漫畫中寫著的。

 人類釀酒的歷史已經有數千年,而且是東西方共有的文化。有一說是酒的由來是某個僕人誤食了儲存著葡萄的陶罐中保存不良而發酵的汁液,因而發現了酒的釀造方法。
 一般來說,葡萄酒的釀造會經過收穫破皮發酵這三個重要步驟。收穫這一步我想沒有懸念,如同動畫中所演示的,直接採收野生葡萄。由於野生葡萄的表面是酵母菌喜愛的繁殖地點,這使得日後在發酵時不需額外加入酵母也可以發酵。

 第二步驟是破皮。動畫中所展現的橋段,不知是為了戲劇張力還是確實有所考據,與西班牙等產酒國所採用的破皮手段是一樣的-也就是用腳踩。以腳踩破皮最大的好處是可以用適當的力道打破果實得到果汁,並且讓葡萄皮中的色素及單寧適量的進入果汁中,以造就日後葡萄酒的顏色和風味。同時,腳踩的力道不會踩破葡萄籽,這樣就可以避免籽的苦味進入酒中。

腳踩葡萄破皮釀酒

 而對於腳踩破皮這樣的作法,相信很多人都會認為有衛生的疑慮。其實,會有這樣的傳統,是因為在中世紀的歐洲,由於氣溫和鞋襪的雙重保護,加上少女不易出汗的體質,腳上的細菌甚至較手上來得少。而且發酵時的無氧環境以及發酵產生的酒精本身就帶有殺菌作用,也可以將壞菌根除。故歐洲有這麼一句俗諺:

最芬芳的葡萄酒是最美麗的少女用腳踩出來的;
最香醇的葡萄酒是最美麗的少婦用腳踩出來的;
最濃烈的葡萄酒是最優秀的男士用腳踩出來的。

 第三步驟是發酵。為了沒看過上面編輯記錄的觀眾,這裡再次複習一下酒精發酵的原理:

呼吸作用(有氧環境) C₆H₁₂O₆ + 6O₂ → 6CO₂ + 6H₂O + 32ATP
酒精發酵(無氧環境) C₆H₁₂O₆ → 2C₂H₅OH + 2CO₂ + 2ATP

 可以看到酒精發酵所產生的能量(ATP)是遠小於呼吸作用的,因此在一般有氧的條件下,酵母菌會選擇呼吸作用而不進行酒精發酵。這也是為何需要無氧環境,以此來強迫酵母菌進行酒精發酵。
 既然講到無氧環境,就不得不離開動畫來看一下原作漫畫中的細節了。在原作中提到兩項釀造葡萄酒的重點,一是不加蓋,二是不斷攪拌


 看到這裡我想很多人會有疑問了,不加蓋和每天攪拌,為什麼可以產生無氧環境?
 從作品中所描繪的細節,可以得知千空等人所使用的容器是窄口寬瓶身的罐子,而這個造型近似於目前已知最早的釀酒工具-喬治亞的奎弗瑞(Qvevri)陶罐。而不封口不時攪拌的作法,則是傳統法式的浸漬(Pigeage)手法。


 由於釀酒時放入罐中的是完整的果實,當酒精發酵進行時,產生的二氧化碳會將葡萄皮等渣往罐子的上緣推,進而擠在窄口的表面附近,形成一層隔絕空氣的蓋子(cap)。

酒渣很多,發個酵,當個蓋子

 由於這層蓋子浮在酒的表面,可以有效隔絕空氣,因此蓋子底下的部份便形同無氧環境。而經常攪拌的目的,一來是為了讓二氧化碳逸散,避免壓力過大,二來是為了讓葡萄皮和酒充分接觸,以增加酒的香氣。
 因此,這裡所描寫的釀酒方法,是合理的不過,大樹你踩葡萄之前腳還是要洗一下啦。

四、解除石化的關鍵-腐蝕劑硝酸酒精溶液

 千空提到,自己和大樹會很早解除石化,是因為浸潤在含有硝酸的蝙蝠糞便汁液中。硝酸是一種很強的無機酸,不但有很強的酸性,同時也有很強的氧化力,這也是它高腐蝕性的來源。而且,與其他無機酸不同的是,硝酸即使在低濃度之下也有氧化力,這使得劇中所謂在蝙蝠糞便的滴灌之下解除石化稍微有一點可信度。
 不過,在這之前,先讓我們來釐清一下「蝙蝠糞便裡面有硝酸」這件事。

 蝙蝠糞便裡面跟硝酸沾得上邊的東西,我想大概是指硝酸鹽尿酸。硝酸鹽廣泛的存在於動物的糞便中,在中世紀化學肥料尚未普及的年代,從有蝙蝠的洞穴中採集硝石製成氮肥是農業很重要的肥料來源,而硝石就是硝酸鹽的結晶。
 而尿酸(C₅H₄N₄O₃)則是一種有機弱酸,它是動物體內含氮廢物最終的代謝形式之一。由於尿酸也有輕微的毒性,所以像鳥類這類較低等的動物才會以尿酸代謝作為處理含氮廢物的主要手段。而像人類的高等動物,通常行尿素代謝,若尿酸代謝過盛反而是有病的徵兆,例如痛風
 尿酸微溶於水,水溶液呈弱酸性。因此,如果跟上面的硝酸鹽混在一起,說蝙蝠糞便汁液裡面有硝酸...好吧,勉強算你過關。

 接下來,再來看看硝酸酒精溶液
 硝酸酒精溶液俗稱「Nital」,是一種工業常用的蝕刻劑。它通常用於腐蝕金屬,尤其是含碳的鋼。故事中石化後的材質不知道是什麼,所以暫時不以化學角度來評判。總之,若是單純以腐蝕的角度來看,這是可行的。

 但是,就算原理上可行,動畫中的實驗方法也非常有問題。硝酸加酒精這個反應是相當劇烈的放熱反應,會使得酒精快速氣化而冒出濃厚的酸煙。同時,反應產生的乙基硝酸(C₂H₅NO₃)有爆炸性,如果動畫中使用的是土器或陶器,非常有破裂的可能。一旦容器破裂、酸液外洩,那個危險性可想而知。
 下面是一段這個反應的實驗影片,可以看出這個實驗的危險性。

 在動畫中,這兩個人不但沒有穿著任何防護器具就直接操作這個實驗,還將腐蝕劑直接倒在石化後的生物上,並且沒有計算反應當量。這樣做的下場,製備腐蝕劑時很有可能被灼傷,解除石化的生物也很有可能因為直接接觸過量的腐蝕劑而受傷。
 總之,這部份雖然是合理的,但還是有點牽強,而且很危險

五、石化

 這個就不說了啦,完全就是非科學的東西。
 從石化的畫面表現來看,或許是宇宙射線造成的表皮細胞角質化,不對啊這可是石頭欸?而且人可以在裡面活了3700年,表面的石頭脫落之後還是完整的人,表示石化對人體的組織並沒有損傷。那石化的人在裡面怎麼了?最合理的解釋是被超低溫冷凍而進入沉睡狀態,但是千空卻能在裡面保持意識清醒還能讀秒。維持生理機能的能量怎麼來?新陳代謝怎麼辦?這些根本就沒辦法解釋啊。
 總之就是一個幻想的情節,要想解釋的話大概只能用無敵的白金之星想想辦法了。


【本週總結】
提及的科學議題:4
可行的:2
不可行的:1
現代科學不可行但或許未來可行:1

つづく...
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《Dr.STONE 新石紀》第2話

一、煙燻肉類保存

 煙燻是常見的食物調理手法。燃燒木材產生的煙霧中含有甲醛乙酸等成份,可以作為天然的防腐劑使用;而酚類化合物則是天然的抗氧化劑,可以延緩肉類的酸敗。另外,燃燒木材會使得木材中的纖維素轉變為含有特殊味道的羧酸芳香族化合物等,這便是煙燻食品特殊味道的來源。
 不過,如果像動畫中所繪的這種燻法,煙很難有效的進入肉的深處,所以並不能起到很好的保存效果。較為合理的作法應該是將肉切成薄片,掛成容易通風的樣子來燻,效率會比較高。
 當然了,如果像這三個傢伙一樣一燻完就馬上吃光,自然就沒有這樣的疑慮了。

說好的保存呢?

二、用途多端的碳酸鈣

 沙灘上常見的貝殼,是一些軟體動物的外骨骼的通稱。貝殼的主要成份是碳酸鈣幾丁質,由於構成貝殼的碳酸鈣是由細小的霰石小板組成,在故事初期的確是最方便入手的碳酸鈣源,至少比去砸大理石要容易多了。

在電子顯微鏡下的貝殼珍珠母層,可看到一片片堆疊的霰石小板。

 不過,這邊提到了石灰(せっかい)這個名詞,就有誤導之虞了。無論在中文還是日文中,石灰都有一樣的含意:生石灰指涉的是氧化鈣(CaO)熟石灰指涉的是氫氧化鈣(Ca(OH)₂)。這裡更精確的用字應該是石灰石(limestone),而通過將石灰石在高爐中加熱至1000゚C以上,便可得到生石灰。再進一步將生石灰加水攪拌,便可得到熟石灰(slaked lime)。不過要注意這個反應是超級放熱反應,在漫畫《妙手小廚師》中便有用石灰加水來隨時加熱便當的橋段。這種作法雖然很危險,不過今天的主角不是它就不吐槽了。

CaCO₃ -△→ CaO + CO₂  CaO + H₂O → Ca(OH)₂

 那麼,到了會考喜聞樂見的混淆題時間了,請將下列俗名與其對應的化學式連在一起:
石灰 ●
灰石 ●                  ●CaCO₃
石灰石●                  ●CaO
生石灰●                  ●Ca(OH)₂
熟石灰●

 總而言之,雖然這部份稍微有些問題,但是可以當作是故事中的人不小心說錯話,至少原作就是這樣寫的。


 在這段的最後,簡單的解釋一下用碳酸鈣來改變土質這點吧。
 一般對於碳酸鈣的印象都是不溶於水的固體,但其實透過碳酸鈣的溶度積為4.8×10⁻⁹ M,我們可以計算出碳酸鈣溶於水的濃度約是0.007 g/L。並且,碳酸鈣溶於水是呈很弱的鹼性,一般長效性的胃藥便是以碳酸鈣為主要的制酸成份。

 因此,當面對不適合耕作的酸性土壤時,在土壤中混入碳酸鈣可以藉酸鹼中和來改變土質,這樣的碳酸鈣也被稱作農用石灰(agricultural lime)
 或許有人會誤以為這裡指的是把碳酸鈣拿來當肥料,但其實更適合作為肥料的,是上一話中曾經提到過的硝石

三、用碳酸鈣製造砂漿

 石灰砂漿(lime mortar)是一種建築材料,最早由古埃及人開始使用。吉薩金字塔便是使用石灰砂漿加固的。由於石灰砂漿有柔軟、多孔透氣的性質,最主要用於既有建築的加固。


 石灰砂漿的製備方法是混合沙子熟石灰與水共同加熱,便可以得到泥狀的石灰砂漿。當塗抹在建築物表面時,砂漿中的氫氧化鈣會緩慢吸收空氣中的二氧化碳,形成碳酸鈣的塗層。

Ca(OH)₂ + CO₂ CaCO₃ + H₂O

 這層塗層保水性佳、透氣良好,但是抗震強度相當低,因此只適合用於將建材黏合或是修補的材料,而不宜作為建築的主要材料。
 因此,雖然在動畫中的台詞是說「能用來建造房子」,但畫面卻只是用來塗抹牆壁,這樣的細節是很用心的。

四、從碳酸鈣製作肥皂

 碳酸鈉,俗稱蘇打(soda ash)。為什麼名字裡會有ash出現?因為早期取得碳酸鈉的方法,便是將含鈉量高的植物燒成灰後溶於水獲得。其中,海藻便是含鈉量豐富的代表。碳酸鈉是可溶於水的,其水溶液的鹼性較碳酸鈣更強,通常可以來到pH 9–10這麼高。
 要解釋碳酸鈉為何可以製作肥皂,我們又要回到原作漫畫裡了:


 ...好吧,原作漫畫根本沒有提到具體細節,可以推論這一段對話是動畫製作組自行加上的。可是字幕組偏偏在這裡犯了個天大的錯誤:

原文 海藻からゲットした炭酸ナトリウムに油を混ぜて反応をさせて完成だ。
正確翻譯 在從海藻中取得的碳酸鈉中加入油,讓它反應便完成了。

 注意到了嗎?原文這裡根本沒有提到碳酸鈣,也不是從海藻中提煉油。按照當時劇情進展合理判斷,這裡用的油應該從是打獵得到的動物身上榨取的。那麼,又干碳酸鈣什麼事呢?

 上面我們曾提到,從碳酸鈣可以製備熟石灰,而將熟石灰加入碳酸鈉之中,便可以得到比碳酸鈉的鹼性強數百倍的氫氧化鈉(NaOH)。皂化反應的基本公式是透過在油脂中加入強鹼,使油脂水解成為脂肪酸鈉甘油。由於碳酸鈉也是鹼性的,因此也可以用來製作肥皂,只是效率遠不如氫氧化鈉高。因此,若是有能力製造熟石灰,是沒有必要用碳酸鈉來製造肥皂的。
 這裡我合理懷疑動畫製作組在增加對白的時候並沒有很仔細的考察背後的化學原理,以致於犯下這樣的錯誤。

 然而,這裡我必須提醒一個細節:這種利用天然油脂加鹼製作肥皂的方法,尤其當加入的是強鹼時,肥皂即使固化完畢,裡面依舊含有很多的鹼。因此手工肥皂製作完成後,必須將肥皂放在通風處,讓空氣中的二氧化碳自然把鹼中和,這個步驟稱為脫鹼。一般來說,脫鹼必須要經過約一個月,其中的鹼才不至於強到會對人體造成傷害。不過,劇情並沒有提到時間過了多久,就不多計較了。

五、本來有的結果...?

 因此,本週的部分就到此結束啦。

【本週總結】
提及的科學議題:4
可行的:4
不可行的:0

つづく...
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《Dr.STONE 新石紀》第3話

一、皮膚碰到硝酸變黃

 第一話時我們提到過,硝酸是具有強氧化力的酸。當硝酸碰到蛋白質時,會將側鏈含有芳香環的胺基酸硝化,形成淡黃色的產物,這個現象被稱為薑黃反應(Xanthoproteic reaction)。雖然薑黃反應在教科書上說是需要濃硝酸並且加熱才會發生,但是當濃度低的硝酸接觸到皮膚,隨著時間水會漸漸的揮發,使得硝酸的濃度逐漸提高,最後仍會在皮膚上留下明顯的黃斑。


 當實驗有用到硝酸時,若是手上出現這樣的黃斑,便表示對硝酸的安全防護做得不夠。不過這裡還是要不免俗的提醒一下,像動畫中獅子王那樣直接用手去接觸未知的液體是很危險的,千萬不要模仿。

二、以六分儀定位緯度

 六分儀(sextant)是古代航海時經常使用的定位工具,其主要原理是透過測量特定天體與地平線的夾角,來確認所在地的緯度。在動畫中,千空便想利用土製的六分儀來定位緯度。
 六分儀的原理相傳是由牛頓所提出,並由高斯進行設計發明。航海所使用的六分儀使用了二次反射的光學設計,因此只需要用六分之一圓(60゚)便足夠測量。動畫中千空的設計則與這個不同,不過相對比較好理解,託他的福我可以不用解釋得那麼複雜了(喂

高斯所設計的六分儀

 以觀測太陽為例,為了計算緯度,我們必須知道以下幾項資訊:
1. 準確的時間
 由於地球公轉和自轉的關係,太陽在天上的緯度(即赤緯)會跟當前的時間有關。我們必須知道今天的陽曆日期以確定太陽中天時的赤緯,再透過準確的時間來換算成當下這個時刻的赤緯。不過,一般為了方便起見,都是在太陽中天的時間去測量的,因為中天的時間不必計算,只要每隔幾分鐘測量一次,太陽仰角最高的時刻就是中天了。
2. 太陽與地平線的夾角
 在千空的設計中,將下方木板與地平線貼齊,調整上方懸臂對準太陽,藉由地球引力的輔助確定垂下的繩子與地平線垂直,如此一來便可從木板上的量角器讀出太陽的仰角。


 有了太陽的仰角(θ)和當前太陽的赤緯(δ),我們就可以來計算所在地緯度(φ)。天球北極(即赤緯90゚)的仰角與所在地的緯度相同,太陽運行的軌道(黃道)與天軸垂直,因此當太陽的赤緯為0゚時,太陽中天時的仰角為90゚-φ。以此為基礎進一步推算,可以得到當太陽的赤緯為δ時,此時太陽的仰角θ=90゚+δ。移項之後得到φ=90゚+δ-θ。

註:天體的赤緯值,在北緯為正,在南緯為負。圖中所繪的是在南緯的情況。

 總結來說,以六分儀來測定所在地緯度這個情節,原理上是沒有問題的。不過最不科學的還是千空的計算能力,畢竟如果不能清楚知道現在的確切時間,這一切的計算都無法成立了。

三、鎌倉大佛的銅之恩惠

 鎌倉大佛是日本知名的佛像之一,這座青銅造阿彌陀佛坐像據傳是鎌倉時代所建,至今已有近千年歷史。鎌倉大佛的大小僅次於奈良的東大寺大佛,是日本的國寶。
 青銅銅與錫的合金,當放置一段時間後,表面會形成一層緻密的氧化層而呈現青灰色,故名為青銅。青銅是化學性質相當穩定的合金,一部分也要歸功於表面的氧化層保護內部的金屬免於外來的化學侵蝕。那麼,為何動畫中的佛像會缺了一角呢?

 當青銅接觸到氯離子(Cl⁻)時,氯離子便會與銅或是其表面上的銅化合物反應,形成氯化銅(CuCl₂)。由於氯化銅與表面上的這一層銅化合物的晶型不同,無法良好的鍵結在一起,氯化銅便會從青銅表面剝落,而露出底下更容易遭到侵蝕的銅合金。久而久之,甚至會將整個青銅器完全侵蝕掉,這個過程被稱為青銅病(Bronze disease)
 鎌倉大佛的位置距海約一公里,海風會吹來大量的氯離子,因此若是沒有做好定期保養,是相當有可能遭受青銅病毀壞的。


 當銅製物品接觸到水時,會溶出微量的銅離子。銅離子對植物來說是不可或缺的微量元素,然而銅離子若過量卻是致命的。若是按照劇情中大佛已被侵蝕掉一大塊的情況來看,周圍的土壤中應該確實含有大量銅離子,的確有可能產生寸草不生的情況。

 至於最後,千空想要拿走青銅去製作鏡子來提高六分儀精準度的橋段,唯一可能會出問題的是開採工具,至少不太可能用石鎬去挖。

四、火藥

 留待下一話一起解說,不然下一話能講的太少了。


【本週總結】
提及的科學議題:3
可行的:3(如果你是千空)
不可行的:1(如果你不是千空)

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《Dr.STONE 新石紀》第4話

一、黑火藥

 黑火藥是古早的爆裂物,普遍認為是中國的煉丹士所發明,最早的紀錄可追溯到7世紀,而西方關於火藥的紀錄則要等到13世紀。雖然火藥被稱為中國三大發明之一,但諷刺的是,當火藥傳入西方後,反而在西洋人的手上變成了對付中國人的一大利器。
 製作黑火藥的材料是硫磺、木炭、硝酸鉀,工業上所使用的配方是10:15:75,而這也是在漫畫中記載的配方。動畫中把詳細的比例拿掉了,或許是擔心有人有意無意的照著做出炸藥來。


 這三個材料當中,硝酸鉀作為點火時的氧化劑,硫磺和木炭則作為燃料。當點燃時,硝酸鉀會分解放出氮氣,因此在密閉的槍管中點燃黑火藥可以作為子彈的推進器

10KNO₃ + 3S + 8C → 2K₂CO₃ + 3K₂SO₄ + 6CO₂ + 5N₂

 至於在其中加入砂糖的緣故,則是由於糖遇熱會分解為碳及水,故可以當做燃料使用。古代的煉丹士亦曾經記載在火藥中添加蜂蜜的配方。
 接下來,就讓我們來分別看看這三個必要的材料是如何入手的。

 三.1、硝酸鉀

 硝酸鉀這個東西很早就出現過了,在第1話中所介紹的硝石,其主要成份便是硝酸鉀。在動物的糞便中含有一定成份的含氮廢物,而這些物質會被硝化細菌分解成為硝酸鹽,這就是硝石的成因。由於硝酸鹽可以作為氮肥,古代的農家會將牲畜的糞便塗抹在牆上,在一定時間之後去採收上面形成的硝酸鹽,這也被稱為硝土
 在動畫中,千空很有可能是從蝙蝠洞中取得了大量的硝石,這與中世紀歐洲硝石的來源是相同的。不過,為了純化出硝酸鉀,還是需要一定的加工。

古早農村熬硝水的設備

 首先將粗的硝石用熱水溶解,提取其中含硝酸鹽的成份。接著加入草木灰(燃燒雜草產生的灰燼,主要成份為碳酸鉀)攪拌熬煮,煮到很濃的時候趁熱過濾掉不溶於水的雜質(如碳酸鈣)。由於硝酸鉀對熱水溶解度相當的高,在冷卻的過程中會最後析出,因此在降溫到一定程度時再次過濾,便可以過濾掉可溶於水的雜質(如氯化鈉)。這時剩下的溶液中大部分都是硝酸鉀了,可以繼續加熱濃縮,重複上述的步驟以提高純度。

 三.2、木炭

 木炭的基本作法是木材的不完全燃燒,並不是隨便燒燒木頭就能拿到的。在隔絕氧氣的條件下加熱木材,首先木材中的水份會先被逼出,其後木材的纖維素會開始分解,就像上方的糖一樣分解成碳及水。因此,木炭其實就是高純度的碳。
 相較於木材,木炭有可燃成份比例高、氣孔多通風良好等優點,因此是比木材更好的燃料。

傳統燒製木炭的簡易土窯

 燒製木炭的方法其實很簡單。找一處山坡地,在山腳的地方挖個橫向的深坑,放入木材之後點火。當木材燒到一定程度時,用土把洞口封住,讓裡面變成密閉空間繼續加熱。過一段時間之後,就可以打開取出裡面的木炭了。國中理化課本有一個實驗叫做竹筷的乾餾,其原理就跟燒木炭差不多。

 三.3、硫磺

 硫磺(sulfur)是一種黃色的非金屬元素,它以元素態大量存在於火山口附近,或是以黃鐵礦的形式存在。點燃硫磺會產生紫色的火焰,並且產生刺鼻的二氧化硫(SO₂),這便是造成火山地區獨特味道的元兇。

箱根的硫磺谷

 雖然硫磺基本上真的就像動畫中描述的一樣,在火山地帶隨便挖都有,但是由於地熱的關係空氣中會充滿著有毒的硫化物,所以開採時千萬要做好防護。

二、黃鐵礦與打火石

 黃鐵礦(mineral pyrite)是一種在火成岩地區常見的礦物,其主要成份是二硫化亞鐵(iron(II) disulfide, FeS₂),是工業上製造硫化物(如硫酸、二氧化硫)的最主要原料。純度高的黃鐵礦顏色為金色,帶有金屬光澤,很容易被誤認為金礦,因此也被稱為愚人金

 敲擊金屬或是礦物來產生火花的原理,是敲擊的動能轉化成為熱能,熱能點燃了被敲碎的細小礦物碎屑,因而產生了飄在空中的火花。因此,能敲打取火的礦物需要具備兩個條件:

1.礦物必須有一定的硬度。若是礦物的質地軟,敲打下去時的動能會轉化為礦物的形變(也就是被砸凹了),而無法有效的轉化為熱能。劇情中提到的含鐵這一點其實有點誤導,純鐵的質地其實偏軟,當其中混有一定比例的碳(也就是鋼)時,硬度才足夠。由於地表上常見的鐵礦都帶有碳的雜質,所以才能用來取火。

2.礦物必須要能被敲出細小易燃的碎屑。當礦物的表面由於撞擊而碎裂,產生的細小礦物碎屑會直接帶走熱能。由於碎屑的表面積相當大,直接接觸到空氣中的氧氣時,便能起火燃燒。古代的打火機,便是以燧石(矽質岩石)和鋼或黃鐵礦的表面碰撞,藉此敲碎後者的表面來產生火花。
作為背景知識,順便介紹一下摩氏硬度。摩氏硬度是簡單區分礦物硬度的比較量表,將常見的礦物分成了十個等級的硬度。拿起兩個礦物互相敲打,硬度較高的礦物會敲碎硬度較低的礦物,而在硬度高的礦物表面上留下硬度低的礦物粉末,這就是所謂的條痕法。燧石的硬度是7,黃鐵礦是6.5,鋼則是4.5。因此燧石能敲碎黃鐵礦或鋼的表面。



三、那些飄過的化學
 三.1、鋁熱反應

 鋁熱反應(thermite reaction)是由高還原力的金屬鋁來冶煉金屬礦物的方法,混合金屬鋁和金屬氧化物後點燃,會放出高熱和耀眼的火光,溫度可以來到2500–3000゚C之高,最終產生氧化鋁和還原的金屬元素。而劇情中所提到的鐵砂加鋁箔則是俗稱的鋁熱劑,由鋁金屬和氧化鐵的粉末以約1:3的比例混合製成。

2Al + Fe₂O₃ -△→ Al₂O₃ + Fe

 由於鋁熱反應產生的溫度極高,還原的金屬通常會被熔化,因此經常被用於焊接工業上。此外,鋁熱劑也經常作為軍事用的燃燒彈,它所產生的高溫可以輕易的將鋼筋混凝土給燒成渣,是在戰場上的一種高殺傷力的武器。
 不過還是必須提醒,這個反應是相當危險的,絕對不是像動畫中那樣可以隨便在公園裡做的「可愛的小實驗」。一個不小心出問題,可能是會吃上公共危險罪的。


 三.2、粉塵爆炸

 當千空正在用電焊槍的時候,大樹不小心打翻了一桶不知道什麼粉末,然後下一秒就炸了。這個現象被稱為粉塵爆炸,簡稱塵爆。塵爆的基本原理和上面的打火石其實很像,當細小的可燃粉末接觸到火源時,由於粉塵的表面積相當大,便很容易起火燃燒。粉塵爆炸的燃燒會持續至沒有可燃物或是氧氣為止,因此一旦觸發,損傷都非常嚴重。

 粉塵爆炸最可怕的地方是,引發爆炸的並不一定是明火,靜電甚至是過熱的照明設備都有可能引燃,因此對於麵粉工廠這類的地點,預防粉塵爆炸是相當重要的工作。現代很多演唱會為了節目效果,都喜歡往空中噴灑玉米粉再點火,創造出華麗的火焰景象,這個份量要是沒拿捏好是會造成很嚴重的後果的。2015年的八仙塵爆案便是臺灣有史以來規模最大、也是第一次發生在開放空間的粉塵爆炸事件,其危險性我想大家當時都有目共睹了。


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《Dr.STONE 新石紀》第5話

一、切斷頸神經一擊必殺?

 從解剖學上來看,頸神經指的是脊神經當中第一到第八對周圍神經,嚴格來講並不是特定的一條神經。頸神經所支配的是雙手以上的身體部位的知覺,大腦對於這些部位的調控、這些部位所感知的神經訊號,都會經由頸神經來傳遞。


 這裡司對千空所講的話,我們可以拆成三部分來理解:

1. 不會感到痛苦
 頸神經是脊神經的分支,而連接脊神經與腦部的是脊髓。由於脊髓是連續的結構,當脊髓被切斷,依據斷在哪一節,那之下的所有神經反應都將會中斷,也就是癱瘓。因此,切斷脊髓可以有效的阻絕痛覺,不過敲下去的那一下還是會感覺到的,不能完全算不會感到痛苦。


2. 瞬間暈厥
 暈厥(Syncope)指的是大腦因為暫時性的供血不足而產生缺氧的現象,最常見的成因是姿勢性低血壓,也就是當久蹲之後站起來的瞬間,會讓囤積在下肢的血液來不及回流到大腦而造成的暫時性貧血。暈厥的時間可長可短,在這個期間人是沒有意識的,所以自然也不會感到痛苦。
 也就是說,要造成暈厥,就必須降低對大腦的血液供給。攻擊頸部要如何做到呢?勢必得破壞負責供應大腦血液的頸動脈。一旦頸動脈被破壞,腦部的血壓會瞬間大幅下降,由於大腦是個耗氧量極大的器官,長時間供氧不足會導致大腦停止運作而失去意識,最終的結果便是腦死
 總而言之,若想實現通過對頸部的攻擊來讓對方暈厥,那勢必得要造成大失血,這一話恐怕就要變成18+了。

3. 死亡
 腦死(Brain death)是醫學上判定死亡最重要的依據,主要的判準是包含腦幹在內的全腦功能喪失。腦幹(brain stem)又被稱為生命中樞,掌管著呼吸以及心跳等維持生命的重要功能。所以一旦腦幹被破壞,失去這些重要機能便會造成死亡。一般來說,若是人因為停止呼吸而造成腦部缺氧二到五分鐘,便會造成腦部不可逆的破壞,進而導致腦死。

 總結來說,通過破壞頸部神經來讓人毫無痛苦的瞬間死去,基本上是不可能的。即使放鬆一點標準來看,也至少要切斷頸動脈才能導致死亡,而那造成的傷口大小可就不是那一點快乾膠石化復活液能修復得了的。
 再者,神經是很細小的結構,而且每個人的位置都會有細微的不同,能一擊就精準的破壞頸神經,除非司你是天蠍座米羅吧。


二、石器

 石器時代人類所使用的石器,依據其加工方式可以分為兩種:打製石器磨製石器。我們在學歷史時經常會將石器時代利用這兩個技術作為分野,但是並不代表進入了磨製石器時代後,人就不再使用打製石器了,這純粹只是一項技術上的進展。

 打製石器是透過兩塊石材互相敲打,來將石材打成自己需要的形狀。岩石在成岩的過程中,由於不同的沉積方向、礦物質分布等因素,在顯微鏡下觀察會看到某種特定的排列模式,也就是紋理(texture)。當敲打石材時,岩石最容易沿著紋理的方向裂開,就如同動畫中千空所做的多次嘗試一樣。
利用兩塊石材互相打磨出想要的形狀。

 磨製石器則是更加細膩的製作方法,透過將石材在另一塊更加堅硬的(參見第4話摩氏硬度的介紹)岩石上摩擦,可以調整石材的細緻結構,這時通常會加點水輔助,稱為拋光(polishing)。磨製石器相較於打製石器更加銳利而且平滑,製作出來的石器耐久度也會提高。

以水為輔助拋光石器表面。

 人類常用於製作石器的石材有砂岩、板岩、安山岩等。其中,砂岩內所含有的高硬度石英成分可以作為磨製石器的工具;板岩的紋理是片狀的,適合用於刀這類扁平的器物;安山岩的質地堅硬而且耐火,適合製作高耐久度的石器。

 關於製作石斧的示範,可以參考下面的影片:


三、已知用火鑽木取火

 鑽木取火我想是所有人聽到原始人火的來源時,第一個會浮現的答案,除了普羅米修斯和燧人氏以外。鑽木取火的基本原理是透過摩擦堅硬的固體可燃物表面,讓摩擦時累積在小表面積上的動能轉為熱能,藉此產生小的火苗,再點燃更大的燃料堆來取得火源。

 在動畫中,千空示範了兩種鑽木取火的方式:最原始的鑽木取火,以及弓式鑽木取火。
 最原始的作法需要一塊乾的硬木,以及一跟木條。首先在硬木上挖一個與木條寬度差不多的小洞,在裡面填入乾草屑之類的燃料,接著拿木條抵在上面,然後用力搓就對了!


 這種作法需要的準備是最簡單的,當然成功所需的技巧也就更多。而且這種方法需要很大的力量,很容易讓手起水泡或掌繭。

 另外一種弓式取火則是實用性比較高的方法,但是必須先從植物纖維中取得繩索才行。這個方法利用弓和木棒當成簡易的滑輪組,如此一來就可以不用以手直接搓木棒,只要來回拉動弓就可以讓木棒以更快的速度旋轉。這個方法要在木棒頂端以一塊石板之類的抵住,來讓大部分的動能傳遞到木板上。
 而在透過這些方法取得火苗之後,下一步就是將火苗移入乾草堆中,不斷吹氣或是搧火來讓火燒得更旺。接著恭喜,你已知用火了


 關於鑽木取火的示範,可以參考下面的影片:


四、鹿死留皮

 動物的皮組織中富含膠原蛋白,透過鞣製的方法能讓這些膠原蛋白變性,形成一層柔軟抗菌的膜,這個處理過的皮就是皮革

 要製作皮革,首先需要將獸皮下方的結締組織與脂肪組織削除,若是太厚的獸皮也必須先削薄。接著要泡進酸液中,目的是軟化皮張,順便可以溶出膠原蛋白,同時殺菌。
 但是,千空當時的條件並沒有這樣的酸液來源,因此需要用咬的方式來軟化皮張。

用咬的方法製皮。

 下一步就是鞣製了。從酸液中取出的皮張先浸泡小蘇打中和後,浸泡在植物汁液中,汁液中含有的單寧、多酚等成份會滲透生皮組織,將皮轉化成能長久保存的「革」。植物鞣製的植鞣革會保有原先獸皮的顏色,並且由於原料是天然植物提煉,不會刺激皮膚,所以適合作為直接接觸身體的衣物內裡。


 除了植鞣之外,鞣皮還有鉻鞣、明礬等多種方法,詳細的就...以後遇到再說吧(被打


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《Dr.STONE 新石紀》第6話

一、質能守恆

 E=mc²,這個由愛因斯坦(Albert Einstein)於1905年《狹義相對論》中提出的理論,我想這大概是少數即使連文組同學都能背得出來的物理學公式之一。這個公式表明了一個靜止物質的質量可以被換算為等價的能量,反之亦然。首先讓我們來講解一下這個公式的意涵:

E,能量(Energy),常用單位為焦耳(Joule)。能量有很多種形式,最常見的是
m,靜止質量(rest mass),常用單位為公斤(kilogram)。當物質有速度的時候,質能守恆的公式需要以廣義相對論進行修正,這裡暫時不討論這麼複雜的部份。
c,光速(speed of light),為一常數299792458(m/s)。

 這個公式在核反應的領域被應用最多,用於計算核反應中釋放的能量。由於物質的質量很少會完全消滅(完全消滅的一個例子是物質與反物質的反應),故這個公式更常以ΔE=Δmc²的形式被應用,也就是計算核反應前後「質量差距」所帶來的能量。
 這時我想有人會提問了:原子核不是都是由相同的基本粒子(質子、中子)所組成的嗎?核反應將這些基本粒子重新組合成不同的原子核,為什麼會有質量差距?我們用一個大家所熟知的核反應式來解釋這件事:

₉₂U²³⁵ + ₀n¹ → ₅₆Ba¹⁴⁴ + ₃₆Kr⁸⁹ + 3₀n¹

 這個反應式是國中課本所教的鈾235的核分裂,當鈾235受到中子(₀n¹)的撞擊後,會產生鋇144、氪89及三個中子。「₉₂U²³⁵」這樣的表示式,左下角的數值代表原子序,為原子中的質子數;右上角的數值則代表質量數,為原子中質子數和中子數的總和。於是,我們可以列出下表:

₉₂U²³⁵ + ₀n¹ ₅₆Ba¹⁴⁴ + ₃₆Kr⁸⁹ + 3₀n¹
質子數 92 0 56 36 0
中子數 143 1 88 53 3
總計 質子數:92 質子數:92
中子數:144 中子數:144

 表面上看起來是沒變的吧?但是,當我們計算確切的原子量時,結果就不同了;

₉₂U²³⁵ + ₀n¹ ₅₆Ba¹⁴⁴ + ₃₆Kr⁸⁹ + 3₀n¹
原子量(Amu) 235.0439 1.0086 143.9229 88.9176 3.0258
總計 236.0525 235.8663

 注意到了嗎?雖然組成的基本粒子數量沒變,核反應前後的總質量卻差了0.1862 Amu,這一前一後的質量差距,便化為核分裂反應所放出的能量。這個能量差距的由來,是不同原子的核結合能(nuclear binding energy)的差異。
 我們可以簡單的將原子的核結合能視為一個原子核的穩定程度,核結合能越高的原子核,穩定度越高。核結合能最高的元素是鐵56,意味著自然界中所有原子如果都會進行核衰變的話,它們最終都會變成鐵56。

不同原子核的核結合能分布圖

 理解質能守恆公式的意涵以及核反應產生的能量來源之後,我們就可以試著解析千空這個依靠質能轉換來維持大腦運作3700年的假說可不可信了。

 大腦每天消耗100大卡的熱量,1卡 = 4.18 焦耳,因此「單純讓大腦運作3700年」所需消耗的能量為 400×10³ × 4.18 × 365 × 3700 = 2.25×10¹² (Joule) ,即2.25兆焦耳。要通過質能轉換產生這麼多能量,需要消耗掉 2.25×10¹² = mc² => m = 2.51×10⁻⁵ (kg) ,即0.025克
 假設這些能量是由上述的鈾的核分裂反應而來,每235.0439 Amu的鈾一次核分裂會衰變掉0.1862 Amu,轉換率為0.079%,因此實際需要消耗掉 0.025 ÷ 0.079% = 31.56 (g) 的鈾。消耗掉這個量,的確有可能造成輕微破壞石化的身體、同時提供足夠能量的效果。

 然而,上述所提到的核反應,是通過中子撞擊原子核後誘發的,在全人類都被石化的這種情況下,顯然不會有這個中子源可以誘發核分裂反應。同樣的道理,核融合反應由於需要極高的能量來引發,也可以排除。因此,我們可以將發生核反應的元素,限縮至能產生自發性核分裂(Spontaneous fission, SF)的元素中,鋂241鈽239等元素都有機會是解答。

 不過,石化後的外表看起來明顯不是金屬質感,而會產生自發性核分裂的元素都是金屬元素...其實,包括原子序超大的元素會不會有非金屬元素、預測有異常穩定的超鈾元素存在的「穩定島理論」等,這部份在核子物理學上也仍未有定論,只能看後續作者要如何解釋了。

二、滑輪

 滑輪(pulley)是一種在圓盤周圍刻上凹槽,並在凹槽中放入繩子來傳遞力的簡易機械裝置。滑輪最早的歷史可以追溯到古希臘時代,亞里斯多德(Aristotle)在其著作《機械問題》中曾討論過滑輪系統的問題,而阿基米德(Archimedes)則詳盡的研究了滑輪的力學原理。

 依據在運作時滑輪的中軸是否移動,可以將滑輪分為定滑輪動滑輪兩種:

 定滑輪是指中軸固定的滑輪,使用上,在其中一側掛上受力對象,另一側施力。當定滑輪達力平衡時,兩側的力相等,因此定滑輪並沒有省力的效果
 當滑輪一側的施力向下時,滑輪另一側的受力對象會向上移動,因此定滑輪的功能是改變施力方向,但不省力
 動滑輪是指中軸會移動的滑輪,滑輪本身與受力對象連接,滑輪兩側的繩子則一端固定、另一端施力。我們可以將固定的一端想像成一個施力永遠與你相同的施力者,因此當動滑輪達力平衡時,施力恰好等於受力對象重量的一半
 當滑輪一側施力向上時,滑輪本身連同受力對象會向上移動,因此動滑輪的功能是省力一半,但不改變施力方向

 需要注意的是,以上計算皆忽略滑輪本身的重量以及摩擦力。在動畫中,千空利用木頭製作了三個動滑輪,並將繩索一端繞過樹枝,充當定滑輪使用。這四個滑輪總和的功效是,省力2³ = 8倍,同時向下施力時,可以將重物向上拉起。
 千空估計樹幹的重量為500公斤,自己的體重是60公斤,因此約需要三個動滑輪才足夠以自己的體重撐起樹幹(500 ÷ 2³ ≒ 60)。

 動畫中也不忘一些重要的小細節:在製作滑輪時,千空在木材中間的洞填入少許火藥並引爆,目的是將洞口周圍的木材碳化,藉此提高其材料強度;在繩索上塗上肥皂,目的是減少摩擦力



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《Dr.STONE 新石紀》第7話

一、肥皂泡泡

 肥皂是一種介面活性劑,它的化學結構一端是親水的,另一端是疏水的,因此介面活性劑能夠讓疏水性的物質進入到水中穩定存在。當我們對肥皂水吹氣,大量的空氣撐開肥皂水,形成一層很薄的水膜,而肥皂便在這層水膜中扮演穩定泡泡的角色。肥皂泡的形狀是由於在表面張力的作用下,會形成表面積最小的形狀,而球形便是固定體積下擁有最小表面積的形狀。雖然如此,我們平時看到的肥皂泡都很少有正球形的,因為肥皂泡的形狀很容易受外界氣流影響。

 肥皂泡表面的彩虹光澤來自於光的干涉。由於肥皂泡膜的厚度約是微米等級,當光線直接在膜的表面反射、或是先折射進入膜裡再由膜的另一側表面反射,兩道光徑就會產生很小的差異。這個差異導致了原本入射的白光在相同的位置上本來應該要有相同的組成(白光是由等比例的紅藍綠光混合而成),現在某些成份的光卻互相抵消了,因此便產生了不同的顏色。


 這裡阿鉻所說的,我想應該是指傳統肥皂的製作方法。相傳古代的肥皂是在食用的廢棄油中加入草木灰而製成,「木炭灰水」雖然看起來少講了幾個步驟,但畢竟秘方不外流(?)嘛,阿鉻或許已經掌握了如何製造Dr.STONE的方法了呢。

 肥皂泡我相信是所有小孩童年時共同的回憶,也有很多藝術家看上它七彩、稍縱即逝的特性賦予它獨特的意涵。這場石器時代的妖術大戰以肥皂泡拉開序幕,還真有點返樸歸真的感覺呢(笑
 不過我還是得吐槽一下細節,這裡千空拿來做肥皂水的是琥珀帶回來的溫泉水,而溫泉水中往往含有大量的礦物質,是會使得肥皂失去介面活性效果、讓肥皂水吹不出泡泡來的。

二、七色炎橋
(原來我在看閃電十X人?)

 焰色反應(flame test)是一種用來辨別分析物中是否有某種特定元素的方法。由於不同的元素擁有不同的原子能階,當用火焰給予能量時,電子在這些不同能階之間躍遷就會放出不同能量的光,便產生了屬於該原子獨有的焰色。
 動畫中的焰色反應,與真實的焰色幾乎是一致的,製作組顯然有考據過這方面的細節,幫你加100億分!

別問了,沒有藍黑色

 ...好吧,硫的顏色差得有點多。在焰色反應之中,紫色是鉀的標準焰色,但是鉀的焰色實在是太不明顯了,通常需要隔著一層鈷藍玻璃才能觀察得到。所以,這裡阿鉻不拿鉀鹽來丟是很合理的。
 焰色反應可以製造出七彩的光,因此最常被用於煙火之中。常見的白色煙火是鎂和鈦、紅色是鍶、橘色是鈣、綠色是鋇...其他顏色則經常會用這些元素互相混合之後形成。也就是說,我們在大型慶典看到的煙火,燒的不只是納稅人的錢,更是成堆的重金屬。現在大家在推行取消煙火、改成雷射光秀的原因,除了燒錢、空氣污染之外,重金屬污染也是背後的考量。

三、硫磺球靜電器

 硫磺球的靜電產生器最早由德國科學家奧托.馮.居里克(Otto von Guericke)所發明,我們對他主要的印象是他曾進行了家喻戶曉的馬德堡半球實驗。居里克的科學研究很多對後世帶來了啟蒙,而這個靜電產生器就是其中之一。

居里克的靜電產生裝置

 靜電起源於電子在兩個物體之間的流動,當透過外力摩擦之類的手段使得兩個接觸物體之間的電荷分布不平均時,移開兩個物體之後便得到兩個帶電的物體。除非再次與其他物體接觸,否則這些電荷會永遠存在,因此被稱為靜電。絕緣體較導體容易產生靜電,因為導體的電子沒有被束縛得很緊,不容易產生穩定的電子轉移。

 摩擦起電便是最常見的產生靜電的手段。在居里克的年代,人們已經知道用琥珀和毛皮互相摩擦可以產生靜電,但是想讓產生的靜電變大,必須要有電容足夠大的琥珀,也就是必須要有很大塊的琥珀。很顯然,這種東西不是隨便想拿就拿得到的。於是,居里克在嘗試過各種材質之後,發現用硫磺可以達到同樣的效果,便以硫磺球製作了靜電產生器。


 當儲存了靜電的物體與不帶電的物體接觸時,兩個物體間的電位差會使得電子快速流過,這便是放電。放電的能量依據儲存的靜電能而有所不同,小至冬天時接觸金屬門把產生的電流、大至閃電的規模都有可能。

 那麼,一個簡單的靜電產生器所產生的靜電,到底是不是真的能把人給電得嗶哩嗶哩呢?科學家為了研究人體上的靜電對周圍電器的影響,經常將人體假設為一個電容10⁻¹⁰法拉的電容器(作為比較,一般市售的電容器約在10⁻⁶法拉的數量級),充電的上限約5萬伏特。根據電位能的公式E = ½CU²,可以得出放電的能量約 ½ × 10⁻¹⁰ × (5×10⁴)² = 0.125焦耳。國際電工委員會指出電能大於5焦耳的放電會直接傷害人體,而一般電器為了確保安全,更會將放電的能量控制在0.35焦耳以下。可以看到,靜電造成的電擊威力明顯都在這之下,所以讓人嚇一跳可以,但是電到見骨就是誇張效果了。

 有一點值得一提的是,靜電的電壓有時可以達到數十萬伏特之高,這樣的電壓不只遠比家用電源高、比高壓電纜高,甚至也比兩三隻皮卡丘。這麼高的電壓為何不會傷人呢?
 其實,雖然我們平常都用電壓來衡量電能的大小,但是電流才真正能決定一個電擊的傷害程度。電流的定義為一段固定時間內流過的電子數,因此電流越大,表示短時間內流過的電子越多,自然也會造成更大的傷害。人體的電阻約為數百萬歐姆,換算下來靜電的電壓產生的電流不到一安培,自然不會有危害了。

四、鍍金的槍

 利用汞在銅鐵器表面鍍上一層金的技術,稱為鎏金。中國早在春秋戰國時期便已經有鎏金工藝的技術,製造出來的器具厚實耐用而且美觀,很符合古代中國人愛慕虛榮的特質(?
 要講解鎏金的基礎原理,首先先來介紹一下汞合金。我們知道汞是唯一在常溫常壓下呈液態的金屬元素,但是汞的合金卻經常是固體,稱為汞齊。汞可以與除了鐵以外的大部分金屬形成汞齊,而汞齊會失去汞原有的毒性,因此常用於補牙的材料。

 在汞中熔化砂金,便可以得到金汞齊。控制成分中金與汞的比例使得製作出的金汞齊保有一定的流動性後,塗附在想要鍍金的器物表面,最後加熱讓汞蒸發,器物上就只留下金了。這也是為什麼千空在鍛燒的時候說別吸入蒸氣,因為這個蒸氣就是汞蒸氣,會引發汞中毒。
 至於這樣鍍金後的器具有什麼優點嗎?乾脆的說,看起來很厲害,沒了。有玩過Minecraft的人就知道,金製的器具耐久度遠不如鐵製器具,更何況是這麼薄的一層鍍金。


 朱砂是硫化汞(HgS)的天然礦物,經常發現於石灰石之中。傳統中藥上朱砂有鎮靜安神的作用,中國皇帝自己煉的仙丹之中也會加。不過,長期服用朱砂會造成慢性汞中毒,現代的醫學已經明令禁止了。


 加熱硫化汞能使其分解為金屬汞以及二氧化硫,能拿來做鎏金的汞就入手了:

HgS + O₂ -△→ Hg + SO₂


【本週總結】
提及的科學議題:4
可行的:2+0.5×2
不可行的:0.5×2

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《Dr.STONE 新石紀》第8話

一、抗生素:石之路線
註:日文的「石炭」就是煤,翻譯你瑪用心點,中文誰會講石炭啦

 抗生素(Antibiotics)為一類抗細菌藥的總稱,主要的抗菌機轉是透過抑制細菌生命週期中重要的生化反應(如細胞壁的合成)來達到殺菌的效果。人類史上重要的抗菌藥物有兩個:第一個人工合成的抗菌藥物百浪多息(Prontosil),以及第一個由自然界中萃取的抗生素青黴素/盤尼西林(penicillin)

百浪多息與盤尼西林

 盤尼西林是由英國科學家弗萊明(Alexander Fleming)偶然發現的,當時他正在培養細菌,卻發現培養皿上有一塊圓形的區域完全長不出細菌。後來才知道,那塊區域掉進了一株青黴菌,而圓形的無菌區域就是受青黴菌分泌的青黴素影響。
 百浪多息則是由拜耳公司所開發,是世界上第一種商品化的合成抗菌藥物。它的發現也是一個偶然,原本公司是在研究偶氮染料,卻意外的發現百浪多息這個紅色染料有殺菌作用。

 相較於由生物中萃取而來的盤尼西林,完全化學合成的磺胺類藥物對於千空等人來說更容易取得...嗎?我說千空你自己提出的流程裡面都提到從煤裡面提取苯胺了,能做到這一步的時候,順便提取個石油醚之類的有機溶劑來萃取盤尼西林不難吧

 從千空提出的流程來看,他預計合成的應該是最簡單的磺胺類藥物「對氨基苯磺醯胺(sulfonamide)」。讓我們簡單的整理一下流程:


 其實從這個流程來看,千空走了很多冤枉路...首先氫氧化鈉基本上之前在做肥皂的時候應該就已經拿到了,結果卻為了電解,搞得還需要先製作鐵器;再者,用碳酸氫鈉的這一步其實也完全可以用鹽酸來代替,而且這還是工業上最常用的方法。總之,這個流程的槽點實在太多了,不排除是為了戲劇效果而刻意這樣玩的。
 這部份只能看後續作者要怎麼安排了,這邊就先就此打住、進入下一個主題吧。

二、地軸章動

 現代的地球,地軸並非垂直於公轉面,而有一個23.5゚的傾角。這個傾角造成了地球在公轉面上不同的位置時受太陽照射的範圍不同,也就產生了季節變化
 然而,這個傾角並不是萬年不變的。地軸傾角一直在22.1゚到24.5゚之間變化,週期約為四萬年,這個週期被稱作米蘭科維奇循環(Milankovitch cycles)。目前的地球正處於這個循環的中央、往地軸傾角變小的方向前進。這樣的變化讓日照面積縮小,進而使得四季的溫度差異變小,造成暖冬涼夏的現象。

不只北極星會移動,整個星座都會移動啦,製作組偷懶被抓包喔。

 章動所帶來的另一個現象,是星體的位移。由於目前的地軸正指著北極星(小熊座α星),所以北極星無論在哪裡都位於正北方。可是一旦地軸偏移了,北極星就將不再指向正北方。上面提到過一次章動週期約是四萬年,因此在3700年後,舊的星象圖上的北極星其實已經離真正的北極很遠了,屆時的北極星應該比較接近上衛增一(仙王座β)
 其實,不只是北極星會偏移,古希臘時所看到的星座跟現在相比,公轉週期大約相差了一個月。所以古希臘流傳下來的占星術到現在依然適用嗎?這就見仁見智了。

三、高爐煉鐵

 高爐(blast furnace)是目前最廣泛應用的煉鐵法,其主要原理是透過不斷吹入空氣,讓焦炭燃燒,產生高溫的還原性煤氣來還原鐵礦。由於鐵礦中的雜質,高爐往往需要加熱到1400゚C以上,不夠高溫的情況下,只能煉出純度不夠的「鐵疙瘩」,當年中共的「土法煉鋼」就是這樣失敗的。

左:現代的高爐;右:1313年的中國高爐繪畫

 全世界最早的高爐可以追溯到中國的西漢(西元前1世紀),近代這種使用焦炭和鼓風爐的高爐則是在1700年代的歐洲被發明。高爐煉鐵的主要反應是通過炭的不完全燃燒產生有還原力的高溫一氧化碳,再由一氧化碳還原氧化鐵:

2C + O₂ → 2CO
Fe₂O₃ + 3CO → 2Fe + 3CO₂


 千空收集的煉鐵原料是鐵砂,學名是磁鐵礦(magnetite)。磁鐵礦的主要成份是四氧化三鐵(Fe₃O₄),是一種黑色的鐵磁性物質,可以被磁石所吸引。由於密度大,在火成岩地形中生成的磁鐵礦遭到河水沖刷之後,容易沉積在河床、沙灘一帶。

 在煉鐵時,除了原料鐵礦以及燃料煤炭以外,還會加入石灰石和白雲石等熔劑。熔劑的功能是與鐵礦中的雜質形成爐渣,藉此提高煉鐵的純度。

四、狗尾草拉麵

 狗尾草(Setaria viridis)是禾本科狗尾草屬的植物,是全世界都很常見的雜草。由於狗尾草的生長力強,容易和農作物爭肥,屬於田地中的有害植物。
 狗尾草是小米的祖先,小米是中國北方常見的旱作作物,也是古代中國主要的糧食作物,形成中國華夏的「粟食文化」。但是當小麥及水稻普及後,小米便不再是主食,不過蒙古和滿族仍以小米為傳統民俗食品。

 使用狗尾草的種子作為小米的替代品,下一步是揉麵團。麵團的作法是將麵粉和水不斷揉製而成,可以加入不同的添加劑。例如加入酵母可以讓麵團在蒸的過程中膨脹,加入含鈣的物質可以讓麵團變得有彈性,加入雞蛋可以將麵團上色、同時有增強彈性的作用。麵團的製作原理是透過揉壓讓蛋白質變性,使得其中含硫的結構彼此膠聯,形成複雜的網絡結構,這個化學變化是麵團彈性有嚼勁的原因。
 其實,不只是小米,含澱粉量高的榖物都常被拿來做麵,像是小麥、玉米麵粉都很常見。

 接著下一步...嗒啦!


 科學美食拉麵就完成了!

 ...我怎麼覺得從不想吃烤魚開始,到做出拉麵,這中間好像跨過了很多階段吧?其實有這樣的料理技巧,就算沒有麵,也足夠抓住村裡人的胃了。所以這裡我要引用一句名言作結:



【本週總結】
提及的科學議題:4
可行的:2+0.5×2
不可行的:0.5×2

づく...

認真解析《Dr.STONE 新石紀》EP.08 本回完
下週 作者外出取材休刊
次回2019.09.07連載再開。
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《Dr.STONE 新石紀》第9+10話

一、雷之磁石

 一般的鐵製物品,平時看起來沒有磁性,但是可以被磁鐵吸引、進而磁化產生磁性。擁有這樣性質的物質,被稱為鐵磁性物質(Ferromagnetism)。常見的鐵磁性物質包括鐵、鈷、鎳等,這些元素也是一般常用的鑄造磁鐵的材料。
 我們可以將鐵磁性物質的內部想像成一個又一個的小磁鐵,在沒有磁性時,這些小磁鐵以隨機的方向排列,因此整體的磁性被內部抵消了,看起來就沒有磁性。但是當鐵磁性物質被通以磁場時,這些小磁鐵便會順著磁場的方向排列,因此材料本身也產生了磁性。材料被磁化的程度受外界磁場強度的影響,但是有一個上限。在鐵磁性材料被磁化之後,移去外部磁場,材料仍會保留磁性,這個結果被稱為殘磁。雖然對於人造磁鐵而言,殘磁是製作磁鐵的關鍵;但是對於一些電器而言,殘磁是會造成不利的效應的。

 市售的磁鐵,在鐵被鑄造完成後,會被通以高壓的電流來讓磁性生成,這個電流約在數萬安培左右。用閃電來製作磁鐵是否可以達到同樣的效果呢?答案是肯定的。閃電的電流可以達到數十萬安培,由閃電引發的殘磁,甚至可以改變古地磁在岩盤裡的痕跡紀錄。



 為何這裡需要先在鐵棒上塗上絕緣漆後,再纏上銅線呢?這是為了穩定電流的方向。一般的情況下自然是不會有這種疑慮,電流一定是經由最短路徑接地離開鐵棒。然而,閃電的電壓可是高到可以極化空氣,當連周圍的空氣都是導體時,閃電劈到導體的鐵棒時電流就不一定會順著鐵棒走了。這時藉著銅線的輔助,就可以確保電流以及電流產生的磁場方向穩定。

 不過,閃電的溫度接近攝氏一萬度,直接徒手抓剛被雷劈的鐵棒,千空你是鐵砂掌嗎


 要製作磁鐵其實真的沒有想像中的難,把迴紋針放在普通磁鐵上,朝同一個方向摩擦數十次,就可以得到簡單的磁鐵。記得我小時候很喜歡讓釘書機咬住方形小磁鐵,讓釘書機前端產生磁力,這樣一來一旦釘失敗了,就不用滿地找釘書針啦。

二、人力發電機

 發電機是一種將其餘能量形式(通常是動能)轉化為電能的機械裝置。發電機的原理基於法拉第定律,也就是俗稱的電磁感應
 法拉第定律指出,當一個電路中的磁通量發生變化,這個變化率的大小會等於在這個電路上產生的感應電動勢。用白話一點的講法來說,只要有個方法能在一個電路中不斷來回移動磁鐵,就可以在這個電路上造成感應電流。

 千空所設計的發電機,其原形是參考歷史上第一臺電磁感應實驗裝置-法拉第的圓盤發電機。不同於現代的發電機是讓磁鐵轉動,法拉第發電機是固定產生磁場的磁鐵,透過轉動圓盤狀導體來產生感應電流。

法拉第設計的電磁感應實驗裝置。

 上圖中的「m」是稱為「電刷」的裝置,其作用是在圓盤轉動時,確保整個發電機維持通路。按照圖中的方向轉動圓盤時,圓盤上會被感應出由圓盤中心往電刷方向的電流。連接圓盤中心及電刷,便可形成一個完整的迴路。


 至於所謂的「二刀流」設計,其實就是串聯兩架發電機,來讓輸出的電壓加倍。由於串聯的方向是A發電機的中心接到B發電機的電刷,而兩架發電機的磁場方向是相反的,因此在發電時兩個圓盤轉動的方向也要相反。
 動畫中確實可以看到金狼銀狼轉動圓盤的方向是相反的,這部份的細節真的很用心。


 不過,在成功製造出發電機之後,要面對的最大問題就是如何儲存電力了。如果沒有製造蓄電池,就只能在想用電的時候現場發電,便利性就下降很多了。

三、燈泡

 白熾燈(incandescent lamp)是一種通過在燈絲上施加電能,直到燈絲的溫度高到發出可見光的器具。白熾燈泡的核心原理是白熱化(incandescence),當一個物質的溫度上升,它的放射光譜便會開始往短波長偏移。一旦放射波長達到了可見光的範圍內,這個物質看起來就發光了。
 說起來可能很令人難以置信,但是其實所有物質,包括生物在內,只要有溫度的東西都會發光。平常我們看不到人體發光,只不過是因為發出的光大部分落在不可見光。這也是為何紅外線夜視鏡可以在一片黑暗中觀察目標。


 一般人普遍認為,白熾燈是由愛迪生發明的,這個說法其實不正確。第一個白熾燈是由英國化學家戴維(Sir Humphry Davy)發明的,最早取得白熾燈專利的也不是愛迪生。愛迪生只是在買下白熾燈的專利後,尋找各種能作為燈絲的材料,成功的延長了燈泡的使用壽命。
 在愛迪生曾嘗試過的近千種燈絲素材中,最成功的材料是碳化的日本竹纖維(這裡翻譯組又犯了小錯誤,不是蒸過,應該是乾餾碳化才對)。正好在日本的千空,或許佔了製作燈絲的地利之便吧。

四、過敏反應

 過敏反應(allergy)是指當人接觸到一些原本應對人體無害的外來物時,產生了過度激烈的免疫反應。會引發過敏反應的物質稱為過敏原,每個人會產生過敏的過敏原都不盡相同,過敏的結果也不同。一般常見的過敏原有花粉、皮屑、食物等,某些特殊的案例中,也曾有記載有人會對某些化學藥品、自己的體液、甚至對水過敏。過敏反應呈現的症狀,小至搔癢、起疹子、流鼻水、淋巴結腫大,大至氣喘、暈眩甚至休克都有可能,萬萬不可小看了它。

 人體的免疫反應分為體液免疫和細胞免疫兩種。前者由B細胞所主導,一旦接收了輔助T細胞「發現外來物(抗原)入侵」的訊號,就會分泌相應的抗體來防禦。後者則由胞殺性T細胞主導,殺死那些受到抗原感染的細胞或是外來入侵的細胞。當過敏反應發生時,B細胞分泌大量抗體,會刺激肥大細胞分泌組織胺,過多的組織胺就會產生上述的這些過敏反應。

 動畫中千空的過敏反應,初步可以判定為淋巴結腫大。淋巴結是人體免疫系統中用來過濾淋巴液、清除外來有害物質的地方。當免疫反應發生,淋巴球會大量增生並堵在淋巴結中,於是便造成了淋巴結腫大的現象。脖子附近是淋巴結密度相當高的地方,所以經常可以看到的症狀是下巴部分乃至臉頰腫大。

 關於過敏反應的詳細科普可以參考《工作細胞》05:杉木花粉過敏

五、基本交互作用

 在物理學中,物質之間有四種基本交互作用重力、電磁力、強作用力及弱作用力。世界上所有的作用力,都可以被歸類於這四種基本作用力。舉例來說,我們在推動物體時,在微觀上可以視為手上的原子外圍的電子和目標物上的原子外圍的電子之間的電磁斥力。
 下面將簡單的介紹一下這四個基本交互作用。

1. 重力
 四種交互作用中,重力是最弱的,但作用距離也最長。重力只有引力而沒有斥力。
 牛頓萬有引力定律表明,凡是有質量的物體,彼此之間就有吸引力。這個吸引力與兩個物體的質量成正比、而與兩者間的距離平方成反比。重力為何這麼小?主要原因是萬有引力常數實在太小了,只有6.67×10⁻¹¹ m³kg⁻¹s⁻²

 所以,當下次有人用「你知道嗎,我們之間存在著無法切斷的吸引力」搭訕你時,記得反問他「我感覺不到欸,你體重有十億公斤嗎?

2. 電磁力
 電磁力是四種交互作用中第二強的,約有重力的10³⁸強,而且作用距離同樣非常長。電磁力發生於兩個帶電的粒子之間,而粒子可以有兩種電荷(正電或負電),因此電磁力也有引力和斥力。
 基本上,電磁力囊括了一般日常之中能體驗到的除了重力以外的力。例如化學反應,就是由於兩個分子之間的電磁吸引力而造成。

3. 強作用力
 強作用力是四種作用力中最強的,約有重力的10³⁹強,原子核便是由強作用力而得以維持穩定,否則電磁力應該會預期這麼多帶正電的質子會四分五裂才對。
 強作用力發生的主要場合有兩種:結合夸克形成質子和中子,以及結合質子和中子形成原子核。

4. 弱作用力
 弱作用力通常被發現於核反應中,次原子粒子(如質子)的衰變反應便是由弱作用力造成。最明顯的例子是β衰變:放射性原子核產生β粒子及反微中子的核反應,也可以視為一個質子轉變為中子、電子和反微中子的過程。


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《Dr.STONE 新石紀》第11話

一、玻璃

 廣義的玻璃是物理上的一種物質狀態,在這個狀態下的物質表面上為固體,但是內部分子結構是散亂的。黑曜岩就是一種廣義的玻璃,是火山岩漿快速冷卻之後形成的,質地脆、破裂後容易產生鋒利的斷口。由於黑曜岩在成岩的過程中會包入一些水份,因此將黑曜岩燒到1000゚C以上時,會變成白色發泡狀的材料。這種材料由於多孔,隔熱和保水的效果特別好。


 一般我們所認識的玻璃則是一種透明、質脆、具有化學惰性的材料。玻璃的主要成份是二氧化矽,也就是石英砂。用來製作玻璃的石英砂應該盡量挑選純白接近透明的,若是材料中含有太多金屬離子的雜質可能會讓玻璃帶點顏色(當然也有刻意添加化學品來為玻璃上色的)。下一步是加熱石英砂使其熔化。不過,純石英砂熔點高達2300゚C,因此會添加碳酸鈉和氧化鈣,讓混合物整體的熔點下降到1500゚C左右。這樣製作出來的玻璃便是最常見的鈉鈣玻璃

之前1400゚C的高爐煉鐵就讓你們勞動得火眼金睛,1500゚C的玻璃製程我看你們倒滿愜意的嘛(笑

 這兩個素材從何而來呢?都是之前已經入手過的東西了。碳酸鈉可以從海藻燒過的灰燼中取得(翻譯組的小錯誤:不是烤過的海藻,而是燒成灰的海藻),氧化鈣可以用碳酸鈣取代,爐中的高溫會讓它分解成氧化鈣。


 將這些材料熔化成均勻的液態之後,接著將玻璃液冷卻塑型。在動畫中千空共示範了兩種塑型的手法:


 模具塑型,這是最基本的塑型方式,最早發明玻璃的古埃及就用這個方式來製造玻璃。這個方法可以用於製作形狀比較單純的玻璃器具,如鏡片等。若是要製作中空的玻璃器具,古埃及人的方法是在模具中倒入玻璃液後,在裡面放上一個陶土作的芯,等冷卻後將芯打破就成了中空容器。


 充氣法,也就是俗稱的吹製玻璃。這個方法約在西元一世紀被發明,在一根長的金屬管末端沾上玻璃液,然後一邊旋轉一邊吹入空氣來塑型。在這個過程中,會需要多次回爐加熱,反覆的塑型。


 在這個過程中我們可以發現,由於地球引力的緣故,吹入空氣後遠離吹管一側的玻璃液往往會特別多,這部份在將來會成為玻璃器材的底部。而吹管口一側也會附著較多玻璃液,則會拿來做成瓶口。


 從網路上找到了玄奘大學玻璃製程影片,可以看到動畫中所演示的玻璃吹製,基本上是完全參考現代的工法去畫的。


 在動畫中也為我們演示了一種玻璃的添加物-水晶玻璃。在燒製玻璃時加入氧化鉛,能大幅提高玻璃的重量以及透明度,同時硬度會下降而容易塑型,因此是在玻璃工藝中經常使用的素材。另外也由於穩定的光學性質,是常用於光學儀器的玻璃。


 不過,水晶玻璃是否真的比較適合拿來做眼鏡?這點並不一定。水晶玻璃的高度透明特性反而會讓一些對眼睛有傷害紅外線、紫外線更容易通過,或許不是件好事。

二、近視

 近視是現代人最常見的眼部問題,屬於曲光不正的一種,問題來自於外界的光線無法正常的在視網膜上聚焦。造成近視的原因有兩種:眼球的直徑過長,或是水晶體的彈性下降。普遍來說大家認為近視的成因是來自長時間讓眼睛聚焦於近處的物體,但其實近視的高風險族群之中很大一部分來自遺傳,也就是所謂的先天性近視。西瓜的問題可能就是如此。

近視眼的光學解析

 為何近視的西瓜會戴著瓜皮頭套或是瞇眼呢?這可以用針孔成像的原理來解釋。不過在這之前,我們應該先了解,是什麼原因讓投影的影像變得模糊的?道理其實很簡單,模糊就是在投影螢幕上的同一個位置,卻有來自物體不同位置的光成像。因此,同一個位置上疊加了不同的影像,就會造成模糊。
 了解了造成模糊的原因,接著來解釋針孔成像吧。所謂針孔成像是指來自物體的光線經由一個無限小的針孔落到投影螢幕上,從而產生影像。從這個描述我們可以知道,針孔成像是絕對不會產生模糊的,因為無論是從物體上任何一點所發出的光,都只有一道能夠準確的穿過針孔而成像。但與此相對的,由於針孔成像大幅的篩檢了能成像的光,使得進光亮相對減少很多,因此成像也比較暗

 接下來介紹一下眼球的光學原理。我們的水晶體可以被視為一個凸透鏡,凸透鏡的功能是聚焦,而從眼睛外部進入的光線,正好就聚焦在視網膜上。這時想像眼球的直徑變長了,則物體影像就無法順利聚焦在視網膜,而是往前聚焦了。因此,原本應該聚焦的光反而分散開來,影像便模糊了。
 那麼,瞇起眼睛又會有什麼幫助呢?瞇眼的作用是減少進光量。進光量一旦減少,可以造成模糊的光也跟著減少,因此模糊便會得到改善。這是個治標不治本的解決方法,因為這樣在減輕影像模糊的同時,也會讓視野變得灰濛濛一片。


 同樣的道理,西瓜的頭套也是通過主動限制進光量來達成減輕模糊的效果。只不過,西瓜頭套上的洞挖那麼大,效果肯定很有限。
 因此,為了更有效的解決這個問題,就要輪到近視眼鏡登場啦。

 近視眼鏡是一個凹透鏡。我們前面已經提過,近視的成因是影像提早聚焦,因此能分散入射光線的凹透鏡就可以協助聚焦延後,讓影像成功能的聚焦在視網膜上。依據近視的程度不同,焦點位移的距離也會不同,這也就是所謂的近視度數。配眼鏡時需要驗光,為的是確定近視眼鏡的焦距能符合眼球焦點位移的程度。


 一般我們在配近視眼鏡時,會先由眼科醫生測量近視度數,再挑選視當焦距的鏡片。測量度數的方法是很簡單的相對比較,圖片上的符號會逐漸縮小,直到看不清圖案的細節時,就代表相應的度數。若是配戴的眼鏡度數不夠,不但無法完善解決模糊問題,更有可能加速近視的惡化。
 不過,千空等人並沒有這一些相對數據可以參考,所以使用了最原始的手法-一邊驗光一邊打磨鏡片。


 近視眼鏡幾乎可以說是現代人身體的一部分了。隨著科技的進步,隱形眼鏡、多焦點鏡片這些特殊的眼鏡也越來越多,的確正如千空所說,不會再有人把近視當成疾病了。不過,高度近視所伴隨的其他眼部疾病風險仍然是一大問題,這部份有些甚至是現代醫學還沒有辦法解決的,不可不慎。

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《Dr.STONE 新石紀》第12話

一、硫酸

 硫酸(Sulfuric acid, H₂SO₄),是一種具有高度腐蝕性的強礦物酸。硫酸被稱作化學工業之母,因為各種化工製程之中都需要使用硫酸,因此一個國家的硫酸消耗量基本上可以反映該國的工業程度。
 目前工業製造硫酸的方法是通過金屬催化劑將二氧化硫氧化成三氧化硫,再把三氧化硫溶於水製成。千空等人明顯還沒有這樣的化學能力,因此他們便選擇了尋找「天然硫酸」。


 由於硫酸和水可以以任意比例互溶,純的硫酸在地表相當難找到。不過,稀硫酸在自然界中並不罕見。最常見的便是酸雨,來自工業廢氣中的二氧化硫和三氧化硫溶於雨水之後,會分別形成亞硫酸和硫酸;火山地區也有可能流出含硫酸鹽的酸性溫泉水,其中最有名的便是印尼的卡瓦伊真火山口湖。這座湖由於旁邊的活火山盛產硫磺礦,湖水的pH值可以達到0.5,可說是名副其實的「硫酸湖」。
 伊真火山也是印尼著名的觀光景點之一,硫磺因為火山活動被點燃的「藍火」十分壯觀。不過,由於空氣中同時也漫布著大量的硫化氫和二氧化硫等有毒氣體,去那邊玩的時候必須要戴上防毒面具才行。


 而日本其實也有一座硫酸湖,全世界第二大的破火山口湖,位於北海道的屈斜路湖(くっしゃろこ)。這座湖有來自硫黃山和川湯溫泉強酸性的溫泉水注入,湖水的pH值約為5。由於酸性並沒有很高,屈斜路湖之中還有許多的生物生長,例如會乖乖讓人餵食的大天鵝。


 不過,日本境內似乎是沒有像卡瓦伊真火山口湖這麼強酸的硫酸湖,只是都過了3700年,會不會有這樣的地殼變動還真不好講。


 火山地帶的空氣中富含硫化氫,這是一種具有刺激性的氣體,平時我們泡溫泉時聞到的臭雞蛋味也是來自它。硫化氫的毒性極強,只要10ppm就會對眼睛造成傷害,150ppm以上會麻痺嗅覺受器、讓人難以察覺中毒,1000ppm以上則會造成立即死亡。又因為硫化氫的密度比空氣大,容易蓄積在低處,便成了礦坑、石油精煉作業等地方最危險的因子。

 順便說一下,硫化氫和氧氣會非常劇烈的燃燒並產生爆炸,所以拿個火把當探測器絕對是在玩命的喔。

二、銀槍偵測器

 好不容易獲得了銀槍的銀狼,沒想到卻成了礦坑裡的金絲雀!為了安全的獲得硫酸,千空便以銀製作了一把探測器。
 在解釋用銀探測硫的原理之前,先簡單的介紹千空所使用的銀原料吧。這是一種被稱為針銀礦(Acanthite)的礦物,底部的礦物本體含硫化銀的成份,因此整體呈黑色,而上面伸出的細絲狀銀則是在水流的沖洗之下所形成。

 至於如何製作銀槍的細節,動畫中並沒有提到,估計跟之前鎏金是一樣的手法。

動畫中和現實中的針銀礦。

 用銀做探測器,偵測到硫就會變黑,有沒有覺得這個劇情很眼熟?沒錯,這就是宮廷劇中常看到的用銀針試毒的原理。銀和硫化物接觸時會快速生成黑色的硫化銀,在動畫中用來檢測空氣中的硫化氫氣體。或許你曾經聽過,不要戴銀製的飾品去泡溫泉,也是同樣的原因。

4Ag + 2H₂S + O₂ → 2Ag₂S + 2H₂O

  至於用鹼性物質擦拭就可以讓銀槍變回來的原理,就我記憶中沒學過這類的反應,查找各種資料後也沒看過這個說法,估計是幾個小誤會造就了這樣的錯誤了。


 第一,是來自金屬飾品的日常保養可以用溫熱的小蘇打水來擦拭。這麼做的原理是因為汗水中含有弱酸性的尿酸,金屬飾品長期配戴在身上,沾染汗水時,表面也會呈微酸性。在酸性的條件下金屬更容易被氧化,因此日常保養時用弱鹼性的小蘇打水擦拭就可以減緩飾品的氧化。注意這個方法只是減緩氧化,並不能讓已經氧化的部份被還原。

 第二,是來自用還原法搶救已經發黑的銀飾。這個方法需要用到鐵鍋、熱水,再加入一些小蘇打來充當電解質。由於鐵較銀更容易氧化,因此能將硫化銀還原成金屬銀。這個反應如果改用鋁箔的話效果會更好,而使用熱水則是為了促進這個反應的速率。

3Ag₂S + 6H₂O + 2Al → 6Ag + 3H₂S + 2Al(OH)₃


 漫畫中的這一幕,雖然沒有解釋材質,但是看起來那個容器有金屬光澤,應該是鐵鍋,不過動畫裡是直接畫成土器了。如果是鐵鍋的話這一幕就比較合理一點,雖然講解還是有點錯誤。硫化銀是對水溶解度相當低的物質,就連在對銀離子沉澱有很好的溶解效果的濃氨水中都不溶,只溶於濃硝酸之中,所以用鹼來還原硫化銀的敘述是有問題的。


 除非是另一種可能性:其實是用草木灰水中的小顆粒把表面的硫化銀刮掉了。不過,那畢竟是鍍銀而不是整把的銀槍,如果是用磨的來拋光,那大概沒拋幾次就差不多了。

三、防毒面具

 活性炭(Active charcoal),是一種多孔性的炭材質。由於其多孔的材料特性,在結構中有許多可以吸附化學物質和微生物的空間,因此早在很久以前就被用在清潔、淨水等用途。


 活性炭的製作方法,與製作一般的木炭差異不大。都需要先經過乾餾碳化的步驟。不過,由於乾餾的過程中會產生高黏性的焦油堵住碳中的孔洞,因此要成為活性炭必須經過一道稱為活化的工序。這部份在漫畫和動畫中都沒有演出來。

 最簡單、也是千空目前最有可能運用的活化方法,是水蒸氣活化。透過水蒸氣加熱炭到高溫,讓這些焦油被氧化成二氧化碳離開,完成活化。由於千空等人要對付的是酸性的毒氣,因此在活性炭之上還加入了鹼性的碳酸鉀,透過酸鹼中和的方式加強對毒氣的吸附。


 至於背上的那個瓶子,雖然沒有詳細解釋,不過依千空他們目前的技術,應該是不可能製作氧氣瓶的。那麼這個瓶子最有可能就是過濾瓶,有毒空氣由瓶口進入,經過瓶身中填充的活性炭,過濾掉有毒氣體後,從皮管送進面具中。呼吸過後的廢氣,則從面具左右兩側的管子排出。只不過,單向閥的製作可是需要很精細的手藝的,化石爺爺真的有這麼厲害嗎(笑


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《Dr.STONE 新石紀》第13話

一、鹽酸

 鹽酸(Hydrochloric acid, HCl),學名氫氯酸,是一種強的無機酸。純的鹽酸為透明無色,工業用的鹽酸則經常因為製程中會產生少許鐵離子的雜質而呈淡黃色。鹽酸是氯化氫氣體的水溶液,氯化氫非常容易溶於水,也容易揮發。揮發的氯化氫遇到水蒸氣後又會形成鹽酸的小液滴,因此濃鹽酸是一種發煙性的液體。


 鹽酸的製備方法最早在16世紀由德國化學家利巴菲烏斯(Andreas Libavius)提出,將濃硫酸與氯鹽在加熱下反應,可以生成氯化氫氣體。收集此氣體後溶於水便產生了鹽酸。最容易大量取得的氯鹽就是食鹽(氯化鈉),鹽酸這個名字便是來自「由鹽取得的酸」。

H₂SO₄ + 2NaCl → 2HCl ↑ + Na₂SO₄

 動畫中千空所製作的收集裝置,通過水滴來收集產生的氯化氫氣體,是基於氯化氫比起其他氣體而言相當容易溶於水的性質,因此可以做基本的純化。不過,現在在實驗室中都是直接拿橡皮管通入水中來產生鹽酸的。

 由於鹽酸是一種強酸,會對人體的黏膜組織造成傷害,尤其對於眼睛的傷害十分嚴重。記得在做這些實驗時,都要切記保持通風良好,並且穿戴合適的護具喔。

二、氯磺酸

 氯磺酸(Sulfurochloridic acid, HSO₃Cl),是一種具有強力腐蝕性的無機酸。氯磺酸也是一個無色的發煙液體,具有強大的吸濕力和催淚能力。氯磺酸是一種超強酸,可以簡單的把它理解為硫酸和鹽酸的結合,危險性遠較前二者高。


 工業上氯磺酸的製備方式,是將乾燥的氯化氫氣體與三氧化硫反應製得。由於氯磺酸遇水會起劇烈的水解反應,分解成鹽酸和硫酸,因此動畫中所說的「加熱泉華後加入鹽酸中」的製備方法是無效的

HCl + SO₃ → HSO₃Cl HSO₃Cl + H₂O → HCl + H₂SO₄

 泉華是指溶有大量礦物質的泉水蒸乾後,在地面上形成的沉積物。一般的泉華主要成份不外乎是碳酸鈣或二氧化矽,而火山周圍的泉華則可能含有大量的硫,因此又被稱為硫華

泉華(左)、硫華(中)與漆原琉華(右)。

 但是,這一切都是普通溫泉地帶的情況。如果是劇中的硫酸泉周圍的硫華,又會如何呢?雖然找不到文獻佐證,但我個人認為這樣的情況下硫華中會含有硫酸氫鹽,也就是硫酸和硫酸鹽反應的產物,例如硫酸氫鈉。當加熱硫酸氫鈉至460゚C以上時,便會起分解反應,產生硫酸鈉和三氧化硫

2NaHSO₄ -△→ Na₂S₂O₇ + H₂O Na₂S₂O₇ -△→ Na₂SO₄ + SO₃


 至於這裡千空說的「滴在皮膚上就能讓人變成殭屍」,應該就是在描述氯磺酸的腐蝕能力了。廢話不多說,直接上一段氯磺酸vs.雞肉的影片,就可以看出危險性了。


三、氫氧化鈉

 氫氧化鈉(Sodium hydroxide, NaOH),俗稱燒鹼、苛性鈉,是一種具有高腐蝕性的強鹼。氫氧化鈉是相當重要且常見的化學品,經常出現於各種工業製程中,也是應用最廣泛的鹼。


 工業上目前通常以電解飽和食鹽水來製備氫氧化鈉,此法在陰極產生氫氧化鈉的同時,也會在陽極產生氯氣,也就是千空所謂的「泳池臭味」。不過,這裡必須澄清一點,泳池裡的味道雖然跟氯氣很像,但其實是來自汗水中的尿酸和殺菌劑次氯酸鈉反應產生的三氯胺
 此外,再補充一點。利用電解產生氫氧化鈉這個方法必須要用飽和食鹽水。若是食鹽的濃度不夠,就只能扮演電解質的功能,那就形同電解水了。

2NaCl + 2H₂O → 2NaOH + Cl₂ ↑ + H₂ ↑


 強鹼對於生物體的危害性,甚至高過於強酸。鹼性物質可以引發醯胺鍵及酯鍵的水解,而這兩個化學鍵結分別是構成蛋白質及脂肪的核心。此外,氫氧化鈉還可以破壞蛋白質中的雙硫鍵結,而且溶於水會大量放熱,這也是氫氧化鈉經常被用於水管疏通的原理。
 黑社會是不是真的用這種方法來處理屍體的我並不清楚,但是鹼性水解法確實是一種合法且環保的屍體處理法。此法將屍體浸入鹼水溶液(通常是5%的氫氧化鈉或氫氧化鉀)中,加熱加壓來使屍體分解,最後只會留下骨頭。而這樣產生的廢液只含有胺基酸這一類的小分子,可以直接傾倒,幾乎是零污染。目前這個方法已經是處理動物屍體的合法手段。

四、氨水

 氨(Ammonia,NH₃),是一種有強烈刺激氣味的無色氣體。氨相當容易溶於水,其水溶液便是氨水(NH₄OH),呈弱鹼性。氨對於生物體而言是非常重要的營養成份,然而也對生物體有毒性,因此多數生物都會對氨進行代謝後排放。一般來說,尿液中的氨含量不會太高,正常人一天經由尿液排放的氨約在0.14-1.19克,若是尿氨的檢測值過高,可能代表肝功能有異。

 那麼,從尿中提取氨可以說是非常沒有效率的做法嗎?倒也不是。尿液中主要的成份尿素可以被許多細菌代謝為二氧化碳和氨,這也是為何尿通常剛排出時味道較淡,過一段時間後就變得特別濃烈的原因。事實上,太空船中便是利用這個生化反應,回收太空人尿液中的氨作為電化電池燃料的。


 除了從尿中製備氨水,古代的人多是用乾餾動物糞便的方法製氨。除此之外,氨在地球上屬於較微量的化合物,天然界中存在的銨鹽較少,不利於大量生產。

五、提神飲料
這裡千空的臉看起來好像特別幼?

 相信大家在讀書或是工作的時候都有過喝茶或喝咖啡來提神的經驗吧。茶和咖啡能提神的原因在於其中所含的咖啡因,它是一種黃嘌呤生物鹼化合物,對昆蟲有毒性,但是對人類而言卻是一種中樞神經興奮劑。咖啡因在攝入後,約45分鐘便會經由血液循環分布到全身,但是代謝的速率卻有著很大的個體差異,因此咖啡因的提神效果相當因人而異。
 不過,用茶來提神時要注意沖泡時間,因為茶葉中的另一個成分茶多酚的功能和咖啡因恰好相反,具有安神的效果。茶多酚在發酵越久的茶中含量越少,所以這也是為何綠茶的提神效果較差。

 血糖濃度對人類的行動而言至關重要,因為人腦消耗了全身約60%的血糖。當血糖濃度低下,大腦就會變得比較遲鈍,進而影響全身的動作。喝含糖飲料確實可以有提神的效果,但那只是在身體本來就血糖低下的前提之下。所以比起用蜂蜜提神,還不如比賽之前的正餐吃飽一點呢。


 石菖蒲(Acorus gramineus)是一種多年生的草本植物,根莖常作藥用,具有理氣活血、鎮靜安眠的功效。不過,石菖蒲服用過量,會有出汗、噁心、致幻等副作用。所以說銀狼你吃那麼多石菖蒲,可要小心毒性啊。


【本週總結】
提及的科學議題:5
可行的:4
不可行的:1

づく...
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LV. 20
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13 樓 Celeste_蔚晴 celestepile
GP14 BP-
《Dr.STONE 新石紀》第14話

一、透鏡起火

 相信大家小時候都曾經玩過用放大鏡燒樹葉或螞蟻的遊戲吧?這個原理是由於基於光的折射所產生的聚焦現象。當光行經兩種不同的介質時,由於光波的一邊先接觸到介質交界面而產生加速或減速,但另一邊速度則維持不變,因此便產生了偏轉。


 在幾何光學中,由光線進入介質交界面的一點拉出的垂直於交界面的假想線,稱為法線。當光由光速高的介質進入光速低的介質中時,光前進的方向會產生偏向法線的偏折,如同上面兩張圖所示。而光速最快的介質是在真空中,其次是空氣中,因此只要光線從空氣進入其他介質,基本上都是產生偏向法線的偏折。

 講完了折射原理,接著解釋為何凸透鏡能產生聚光的效果。同樣請看圖:


 當平行於鏡中心軸的光線進入,基於上述原理而發生偏向法線的偏轉。由於凸透鏡的介質交界面是一個弧面,法線會指向透鏡另一側的方向,因此不難發現原本平行於鏡中心軸的光線會開始朝向中心軸偏轉。位於弧面越上方的進光點,入射光的折射角就越大,穿過透鏡後的偏轉也越多。結果,這些平行光最終都會匯聚於一點,也就是
 相反的,凹透鏡則會使得光線偏離鏡中心軸,對這部份的幾何光學推導有興趣的不妨自己畫畫看。

 下一個問題是,阿鉻是如何把眼鏡的凹透鏡變成凸透鏡的?
 關鍵的原因是,近視眼鏡並不是完全的凹透鏡,而是凸凹透鏡,也就是一面是凸面一面是凹面、而凹面的曲率較凸面大的透鏡。透鏡的幾何光學性質取決於透鏡中心的厚度和兩側厚度的差別,因此即使有一面是凸面,凸凹透鏡仍保有凹透鏡的散光性質。


 在這個基礎之上,要將凸凹透鏡變成凸透鏡就很簡單了,只需注入水,填滿凹的那一面即可。水的表面張力會使得水面微微凸起(其實不凸起也沒差,重點是要把凹的那一面注滿),如此一來便完成了凸透鏡。但是,這樣的水面若是不平整,就會產生不整齊的折射,也無法成功聚光。所以阿鉻必須得體悟心靈祥和,使用全集中呼吸才能成功點火了。

水之呼吸.第十一之型 止水

 不過這一幕最值得吐槽的細節是太陽的方向,從光影來看太陽根本就不是在阿鉻背後,陽光也會被西瓜面具的上緣給擋住,所以這部份是有待改進的。


 故事中,千空曾提到即使是吸盤加上空氣也可以形成凸透鏡,這指的應該是用吸盤貼在窗戶玻璃上的吊飾之類的東西。不過,現在的窗戶玻璃大多都設計得凹凸不平,所以比較不會有這樣的疑慮了。另一個更難注意到的隱形殺手反而是車內的寶特瓶,過去已經有好幾件這樣的案例,將裝滿水的寶特瓶留在車上,結果在烈陽下導致車內燒起來的情況。

二、發熱速度

 這部份的計算涉及研究所等級以上的熱力學,而且許多需要代入的常數並沒有提及,所以也無法驗證其真實性。本人跟物理有仇,所以專程去請教了物理專業的熱心巴友S,還是無法確定這套公式的意涵。這或許是由於日本是世界上極少數即使到了大學也仍使用母語教科書的國家,導致這些公式的表示形式不同於我們所熟悉的樣態,更進一步提高了考據的難度。如果在場有物理專業的,歡迎提出相關的補充。


 這個公式從動力學的角度計算升溫時所需的熱能。先簡單解釋一下各項所代表的意義:

C^n,不確定因子其之一。以化學的角度來看我推測代表反應物濃度,但S提到有可能代表多變常數或是透鏡聚光能力。總之這部份即使知道代表什麼,也完全不清楚該代入什麼值。
在熱力學中,多變常數是指經過一個可逆過程時,系統的壓力會與體積的n次方成反比,其中的n便是多變常數。我們所熟悉的波以耳定律(定溫下,定量氣體的壓力和氣體的體積成反比)便是n=1的情況。

ΔHr,反應焓,代表一個反應前後的熱量變化。
Z,不確定因子其之二。從化學角度來看最有可能是碰撞係數,S則認為是壓縮因子。碰撞係數代表著參與反應的反應物之間發生有效碰撞的頻率;壓縮因子則是將真實氣體修正以符合理想氣體公式的參數。
E,活化能。一個反應要進行時必須跨越的能量障壁,參與反應的分子必須有超過E的能量才會發生反應。至於有多少分子能達到這個要求呢?可以根據波茲曼分布來求得。
波茲曼分布指出在固定溫度T下,分子的能量會呈常態分布,而能量在E以上的比例為。其中,R代表理想氣體常數,8.314JK⁻¹mol⁻¹。

根據阿瑞尼斯方程式(Arrhenius equation),一個化學反應的速率常數k可以被寫成,故我推測上述公式想表達的是速率定律式。反應速率乘上反應焓ΔHr,便會給出反應吸放熱的功率Qr


 這個公式則是從熱力學的角度計算。同樣先簡單解釋一下各項所代表的意義:

Cp,定壓比熱,定義為每單位物質在固定壓力下升溫1度所需要吸收的熱量,千空提到是1.3 kJkg⁻¹K⁻¹
ρ,物質密度,千空提到是900 kgm⁻³,不過我查到的紙的密度應該是約1300,可能日本的紙也特別薄吧(?
δT,溫度變化。千空提到燃點是300゚C,因為是大晴天,假設氣溫為30゚C,δT=270。
δt就是我們要求的升溫所需的時間。

等號另一側,Qr是上面提過的吸放熱功率,Qc完全不知道是什麼。

 除了上述兩條公式之外,還有另外兩個參數要考慮:

太陽常數1366 Wm⁻²,代表距離太陽一天文單位處(地球離太陽平均距離),單位面積受到垂直入射的平均太陽輻射強度。這是一個變動的平均值,目前的太陽常數約在1361到1362 Wm⁻²之間,與千空的數據差了一點,但我認為無傷大雅。
透鏡直徑5 cm,代表受太陽光面積πr² = 1.96×10⁻³ m²,乘上上方的太陽常數,即可得到每秒匯聚在岩漿褲子上的能量為2.7 J

 然後解析到這裡我就不會算了,按我的想法,假設受熱的體積是1 cm³好了,不就是很直覺的代入物質密度和比熱,1×10⁻⁶·900·1300·270 = 2.7·δt,就可以得到δt = 117秒嗎?還是這樣的想法有錯?歡迎大家提出指正。

三、表面閃燃

 表面閃燃(Surface flash),是一種某些可燃性材料上一經點火後便迅速蔓延的現象。此現象通常發生在棉、毛、尼龍等材質上,因為這些材料都是由細小的單元所組成,單元之間含有許多空氣,因此一旦任意一點起火,火勢就很容易經由這些大面積與空氣接觸的材料擴散出去。雖然閃燃的溫度不見得高,但若是在閃燃時接觸到其他可燃物,仍然有可能造成火災。
 根據日本所發布的消防白皮書,2012年家庭火災之中就有9.2%來自表面閃燃現象。這樣的現象搭配冬天乾燥容易起靜電的日本氣候,是安全上的一大隱憂。星星之火可以燎原,不可不慎。目前市面上的衣物大廠都有慎防閃燃的標籤,請大家注意穿著上面所述材料的衣物時盡量不要接近火源,以免引發憾事。


 提到閃燃現象,就必須同時解釋一下閃點和燃點的差別。
 閃點(Flash point)是專用於揮發性可燃物的物理量,定義為物質揮發的可燃性氣體起火但無法維持燃燒的最低溫度。相反的,燃點(fire point)的定義則是起火後能維持燃燒的最低溫度,因此燃點總是較閃點要高。在阿鉻的例子中,使用的標準就是燃點。

四、槓桿原理

 槓桿(lever),是一種從古代開始就一直被人類所運用的機械裝置。對於槓桿的詳盡論述普遍被認為是古希臘科學家阿基米德所著,相信大家也都聽過他那句名言:「給我一個支點,我可以撐起整個地球。」
 槓桿的原理是靜力矩平衡的應用之一。力矩(torque)指的是促使一個物體繞著支點(轉軸)旋轉的趨向,其值等於施力乘以力臂長度。請看圖說明:


 假設千空的施力F是垂直向下,力臂的定義為施力方向的延長線與支點的最短距離,這裡假設為l。從途中可以明顯看出千空方的力臂是較短的,因此這是省時費力型的槓桿。為了要達到靜力矩平衡,銀狼方的力矩也必須相同,即F×l。故我們可以得知,銀狼所受的力僅為千空施力的五分之一。同時,由於槓桿的左右兩端是一起移動的,因此當千空端下踩m的距離,銀狼端便會上升5m,換算成速率便得到第一張圖中的25和125的差別。
 不過,考慮做功(即接受的能量)的情況,雖然銀狼端的位移變大了,但受力也隨之變小,所以所受的功其實是沒變的。那麼,使用這樣的槓桿來戰鬥對千空有什麼好處呢?答案是它改變了施力的方向。原先千空若是想要向上攻擊銀狼的要害,他必須向上施力(通常是用踢的),這個施力便取決於他自身的肌肉力量;但藉由槓桿的輔助,他可以向下施力來對銀狼造成向上的攻擊,也就是說他可以像動畫中那樣用全身的重量下去踩,力量自然也就更大了。

 那麼,該吐槽的來了。注意到圖中綠色的⅘F了嗎?這個力被稱為正向力,它是為了讓整根槓桿達成靜力平衡而出現的。正向力的施力點在支點上,也就是說它的力臂是0,故不產生力矩也不影響靜力矩平衡。你可以把正向力想像成地球施在槓桿上的力,否則整根槓桿在旋轉的同時應該會向下移動
 假設千空的體重是60公斤,那這個正向力就有他體重的五分之四,也就是48公斤重。千空是拿西瓜面具當做支點的,已經支離破碎的西瓜面具,真的能承受這麼大的應力嗎?看來這面具也是黑科技啊。


【本週總結】
提及的科學議題:4
可行的:3
無法考證的:1

づく...
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LV. 32
GP 26k
14 樓 光山-Kohinoor tcss0612
GP3 BP-
這部我也滿喜歡的。
裡面科學內容分析的人很多了,我換來講講植物相關的吧。

小川杠 おがわ  ゆずりは :
女主角(? 的名字很明顯是用植物命名的。ゆずりは是譲葉楪,中文是叫交讓木。
我覺得比較有趣的是,植物學的漢字是寫成楪念作ゆずりは。不知道為甚麼女角的漢字要寫成杠

ゆずりは/譲葉楪在日本新年長新葉子,同時老葉會一起脫落。是日本傳統春節的裝飾品。
在日本的觀念裡面,代表的是交棒,舊的離去和新的開始。中文交讓木的意思也一樣,是指他葉子生長的習性像是用交接的。

這和dr.stone的劇情符合,因此從名字的角度來看,楪才是官方親定的女主角。

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