會員登入 | ‧教育電子報 ‧工作紙下載

點解踩蕉皮會滑倒? 搞笑諾貝爾獎 腦洞大開

2021.11.24
26373 26373

今期熱話

諾貝爾獎得獎名單上月公布,其中物理學獎由美、德、意三國的科學家以物理模型幫助人類了解全球暖化,共同奪得。大家對世界尖端的科學研究成果表示敬佩,但同一時間,「搞笑諾貝爾獎」(Ig Nobel Prize)亦公布了得獎名單,表彰十種「不尋常、推崇想像,並激起人們對科學、醫學與科技興趣」的科學研究,例如踩蕉皮的摩擦力、怎樣捧咖啡最安全等等。

科研除了幫助人類解決大問題,亦可解決生活的疑難雜症。今期《S-file》整理「搞笑諾貝爾獎」歷屆得獎研究,從中挑選了四項讓人「腦洞大開」的物理學研究,和大家分享科學的趣味。



基本概念:力學

力學是物理世界的重要範疇,接下來提到的四項實驗都與力學有關,而應用力學本身亦可以分為靜力學、動力學、運動學。靜力學研究物體的平衡狀態;動力學研究物體的運動狀態和因素;運動學則把物體視為「剛體」,專門描述物體的運動,而不考慮作用力、質量、性質等,應用力學較常用作解決工程技術問題。



2021:街頭動力學→行路勿低頭

街道人來人往,為甚麼我們很少迎頭相撞?物理學家提出了「自我組織」(selforganization),解釋「行人自動跟隨相同方向人潮」的現象。但是,自從出現了智能手機,人人成為低頭族,打破了這項不明文規定。東京大學先端科學技術研究中心的村上久(Hisashi Murakami)博士邀請了五十四名大學生,分成左右兩組,各二十七人。兩邊的人分別戴上黃色和紅色的帽,以正常的走路速度朝另一邊前進,研究者以攝影自動追蹤系統,記錄和研究他們的行進速度、分布、轉彎角度等數據,改變不同變項,最後得出研究結果。

他發現只要路人隊伍的「領頭羊」滑手機,緊隨其後的路人便很容易「方寸大亂」,造成大擠塞的情況;相反,若是隊伍的中間或後面的路人滑手機,對行人路秩序產生的影響則少得多。

圖一



2017:流體動力學→倒着捧咖啡

同學有沒有試過「倒瀉」飲品? 如果有,便要學學二○一七年「搞笑諾貝爾獎」得主Han-Ji-Won,他還在韓國讀高中的時候,就以十五頁論文研究得出「最強」捧咖啡方法:「抓住杯口,向前看,倒着走。」

看來令人哭笑不得的研究題目,自然少不了實際的科學知識和嚴謹的研究方法。這名「無聊」的韓國高中生觀察一般人捧咖啡杯的情況,發現杯內液體的晃動可分成前後、左右、上下幾種模式,而不同模式之間晃動的頻率並不一致,當晃動疊合,杯內液體便會調皮地溢出;加上,不同形狀的杯子亦會影響液體的晃動模式。





圖二


圖三


至此,我們已得出幾個影響液體溢出的變量,那麼要如何找出最不容易令液體溢出的方法呢?

手機APP記錄移動數據

原來這個實驗十分簡單,只要你有一部智能手機,下載能夠記錄手機移動數據的應用程式(Sensor Logger),打開程式後把手機蓋在杯子上,模擬不同的行走方法,程式會記錄手機前後、左右、上下的方位改變、速度,甚至磁場改變,分析這些數據,例如頻率和振幅,找出最理想的捧杯方式。



圖四


充滿好奇心的同學,不難想像在日常生活中,也可以利用這個應用程式來研究身邊大小事,例如「哪一條巴士綫路最適合睡覺」、「如何跑步最省力」等等,只要多觀察,科學實驗原來也可以很簡單。

2014:香蕉摩擦力→滑倒的真相

踩蕉皮滑倒的畫面常令人捧腹大笑,是電影中常見的橋段,不知道各位同學有沒有踩蕉皮的經驗呢?日本北里大學的研究團隊決定認真研究「香蕉皮有多滑」,找出蕉皮令人滑倒的真相,這項看似開玩笑的科學研究,奪得二○一四年「搞笑諾貝爾獎」。

這個「搞笑」的實驗用上可以測量正向力和橫向力的感知器,在感知器上放一塊地板,地板上放置黃皮朝上的香蕉皮,然後「不幸」的研究人員穿鞋子踩上去一滑,將結果得出的橫向力除以正向力(μ =(fx2+fy2)0.5/fz),可得出蕉皮與地板之間的摩擦系數。多次測試後,研究團隊的得出蕉皮的摩擦系數是0.07。研究又引用其他科學文獻指出,對一般人的行路模式而言,腳踏在摩擦系數低於0.1的表面,滑倒機率大於百分之九十。


●日本北里大學學者馬淵清資(Kiyoshi Mabuchi)展示「香蕉皮有多滑」的研究成果。

圖五


補充資料

摩擦系數(Friction)


摩擦系數是兩個物體表面之間,摩擦力與正向壓力的比值,受滑動面的性質、粗糙度、表面狀態影響,數值愈大,代表物件表面愈粗糙。下表是一些常見物件之間的摩擦系數。



1996:牛油面着地→麵包力學圖

來自國外的都市傳聞,麵包總是以塗有牛油的一面着地(Bread always falls on the buttered side down),最初來自詩人的諷刺,透露對日常中「微不幸」的無奈。英國物理學家羅伯特.馬修斯(Robert Matthews)是墨菲定律(Murphy's law)的研究學者,他非常嚴肅地面對這個問題,決定用科學方法去驗證這個都市傳聞,設計麵包墜地的力學圖(見圖六),數學計算牛油面向地板的概率,寫成論文〈掉落的吐司、墨菲法則和基本常數〉發表於《歐洲物理學期刊》,勇奪一九九六年的「搞笑諾貝爾獎」。

經過幾頁紙的數學計算,羅伯特的結論只是,「從早餐桌上掉下的吐司會以牛油的一面着地,是宇宙中必然會發生的。」但因為數學模型的限制,無法完全考慮現實的各種影響因素,羅伯特其後以實驗方式,統計一千次麵包掉在地板的結果,在9,821次有效掉落結果,其中6,101次以牛油一面落地,概率達到62%,超出常理50%的預測結果,某程度支持了這項都市傳聞。



圖六


補充資料

墨菲定律(Murphy's law)

墨菲定律指「有可能出錯的事總會出錯」,大多時候會從心理學的角度去解釋,但其實亦可以數學式表達:

設出錯的概率為E、重複做一件事的次數為n,那麼不出錯的概率可以1 - E(全部可能-出錯的可能=不出錯的可能)表示,而連續n次不出錯的概率為(1 - E)^n。

試考慮一下,不能連續n次不出錯的概率(即在n次中,至少出錯1次的概率)便可得出數學式:

P(possibility)= 1 -(1 - E)^n

因為0
結論是,只要重複做一件事情的次數足夠多,便一定會發生錯誤;也許各位同學下次做錯題目,可以用墨菲定律跟老師解釋是因為功課太多了。

載自2021年11月24日《S-file STEM/理科》

文:盧家彥 圖:網上圖片
TOP