《臥底身邊的科學秘密》:選錯車廂,危險多出好幾倍

《臥底身邊的科學秘密》:選錯車廂,危險多出好幾倍
Photo Credit: AP/達志影像

我們想讓你知道的是

當發生衝撞時,最前方車廂幾乎立刻就停下。因為移動中的車廂突然停止,所以(負的)加速度會非常大。......因為後方的車廂從移動到停止前的時間較長,所以其加速度也會變小。粗略計算,如果是10節車廂的列車,後頭的車廂受到的加速度,會是前方車廂的1/10倍。

文:小谷太郎

牛頓第二運動定律:對物體施力,物體的加速度會與所施的力成正比、與物體的質量成反比。

大概沒有其他的概念像「力」一樣,在日常生活中被大量使用著,但問到其意義時卻會讓人不知道該怎麼回答。

什麼是「力」?

像「用力毆打」、「藉噴射水流的力道快速去除汙垢」或「以孩子的力氣打不開的瓶蓋」等描述中所提及的「力」,跟物理學上的用語定義幾乎是相同的──指的是施加於物體或對象,使其因而移動、被擊飛的概念(也可能會有像打不開的蓋子一樣,無法使目標移動的情況)。

「電池快沒力的時候,鬧鐘的聲響也會越來越沒力」、「以地熱的力量來環保發電」或「即使到了第九局,投出的球依然很有威力」等,就與教科書裡「力」的用法有些許意義上的差異。電池的力或地熱的力,比較接近物理名詞「能量」的定義,而球的威力則可以替換成「運動量」的概念。

至於像「活力洋溢的藝術作品」或「全公司上下,同心協力突破難關」等「力」的用法,就已經不只是微妙,而是完全脫離了物理學的範疇,即使替換成其他用語也無法在教科書裡找到對應的概念了。就算詢問藝術家或董事長,這裡的力是什麼意思?是否在物理學上有了新發現?肯定也不會有答案。

而「老人力」(註1)、「鈍感力」(註2)或「女子力」(註3)等,更是完全讓人弄不懂是什麼力了。感覺好像是種一使用便會給四周的人帶來困擾、很麻煩的力,但真的是這樣嗎?

建構力學體系的「牛頓」

「力」這個詞語被濫用的情況,不僅存在於現代用語中;在古今中外的各種語言裡,都意義不明地被廣泛運用著。因為人們在「力」還沒有物理學定義之前就開始使用這個單字,所以當然會導致這樣的狀況(即便如此,不在乎定義,隨便使用「力」這一詞的人今後應該還是很多吧)。

17世紀的歐洲,出現了一位名為艾薩克.牛頓(Isaac Newton,1643~1727)的科學家,他明確地對力下定義、建構被稱為力學的知識體系,導正了有史以來的混亂現象。

牛頓認為,物體──亦即質量在加速時,其中就有力在作用。力擁有讓質量加速的效果,以公式來表現就是:

力=質量×加速度

這就是運動的第二定律(Newton's second law of motion),也稱為運動方程式。看到終於有公式出現,各位讀者應該安心些了吧。

利用這個公式,可以從加速來對力做出定義。牛頓的運動的第二定律就是力的定義,這讓原本混亂不清的力從此有了明確的概念。

車體越輕,速度越快

所謂的加速度,指的是速度的變化。當停止中的物體(速度為零)受到力的作用開始移動,速度就產生變化。受到的力越大,速度的變化也會越大。如果力是100倍,加速度也會是100倍。

舉個例子,請試著算出汽車在最大加速時的力有多少吧。

一般的汽車,把油門踩到底,從靜止狀態到最高速度(約時速140公里),大約要花10秒鐘(在現實中,這種可能會造成犯罪的加速法,不管哪個家庭都不會輕易嘗試)。

時速140公里,換算成秒速大約是40公尺。花10秒鐘到達這個最高速度,代表加速度為4公尺/秒。

踩下油門,每秒送往引擎的汽油都會增加、引擎的輸出提升、輪胎緊抓著地面帶著車體加速移動。此時以運動的第二定律來計算力的大小,得到的數值是4000牛頓。

「牛頓」是力的單位,1牛頓指的是給予1公斤質量以1公尺/秒加速度的力。至於這單位的由來應該就不用解釋了吧。

換句話說,把油門踩到底時,汽車的加速力約為4000牛頓。只不過,這是在汽車的質量設定為1000公斤,也就是1公噸的情況下。

能輸出相同力的引擎,若搭載於更重的車體上,加速度就會變小;在更輕的車體上加速度則會變大。

有些人偏愛能產生較大加速度的汽車,想提高加速度,就應該選擇較輕的車體,這跟使用更強力的引擎的效果相同,其原因就存在於運動的第二定律當中。正因如此,在F1賽事中,如何讓車體儘可能地減輕就變得很重要。

對我們而言,這些都是日常中理所當然的事情,但在牛頓生活的當時,都是以人力、馬力或牛力來進行運輸,幾乎不會遇到物體會以一定的加速度移動,更別提力的定義尚未確定,大家都任意地使用著力這個詞彙的情況下,竟然能夠導出第二定律來,不禁讓人佩服牛頓的天才。

發生衝撞,後方車廂傷害較少

而若力與加速度呈比例的話,加速度減小則力也應該會減小──也就是說,力會變小。

請以多節車廂所組成的列車來思考看看。

在車站停車或發車時,當車體加速,乘客也會隨之加速,並感受到力的作用。請先記住一點,因為體重的不同,乘客所感受到的力也各有差異。

在一般的情況下,加速、減速時,不論在哪節車廂所受到的力都相同。接著,再來思考當列車撞上障礙物時被迫停下的情況。

當發生衝撞時,最前方車廂幾乎立刻就停下。因為移動中的車廂突然停止,所以(負的)加速度會非常大。

另一方面,雖然前方車廂已經撞上,但後方車廂在短時間內,依然會朝著障礙物持續移動。移動的時間只要把列車的長度,除以列車速度就大概可以得出。

因為後方的車廂從移動到停止前的時間較長,所以其加速度也會變小。粗略計算,如果是10節車廂的列車,後頭的車廂受到的加速度,會是前方車廂的1/10倍。

也就是說,後方車廂受的力,只有前方車廂的1/10左右。

在衝撞意外的情況下,身處後方的車廂所受的損害會比較少。遠離前方車廂遠離災難,這就是來自運動的第二定律的教導。

註釋:

  1. 「老人力」一詞由赤瀨川原平所創,將原本帶有負面意義的癡呆、遲鈍等老年人所具有的能力,轉以正向的角度來詮釋。
  2. 「鈍感力」一詞由渡邊淳一所創,相較於敏銳,遲鈍、「鈍感力」常具有負面的意涵。作者有意扭轉此刻板印象,並認為此力是生活所必需的其中一種能力。
  3. 「女子力」一詞隨著潮流的變化,衍生出許多意涵。有指女性般的魅力和能力,亦有指活出自我的意思。

書籍介紹

《臥底身邊的科學秘密:選錯車廂,危險多出好幾倍!》,方言文化出版
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作者:小谷太郎
譯者:林曜霆

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Photo Credit:方言文化

責任編輯:朱家儀
核稿編輯:翁世航


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