一絲不苟|2021數感盃|國中專題報導|佳作

作者 陳詠曦 / 台南市立後甲國中

1、 研究動機  

 難得的暑假到來,眾人爭相進電影院欣賞《復仇者聯盟──無限之戰》,而買不到票的 我,只好在家觀看已下檔的蜘蛛人系列電影,稍微緩解一下自己想看英雄電影的渴望。  蜘蛛人系列電影,每一集劇情都有趣又刺激,其中許多打鬥場面呈現出的帥氣動作真是 讓人一飽眼福。在電影中,不僅能觀賞到蜘蛛人彼得帕克的英姿,更是對他所設計出的現代 發明感到無比佩服。 

 而其中,最讓我印象深刻的是如下圖一所示的自製蜘蛛絲發射器──畢竟這是現實中不 會發生的事情呀!

※圖一

但是劇中卻有許多主角發射蛛絲移動物體,或者乘著蛛絲擺盪於高樓大廈間的場景,使我嚮 往不已,卻也使我開始思考:電影中的這些畫面,是否能在現實中成立呢?

2、 研究背景  

 電影中,常常可見蜘蛛人僅靠細細蛛絲便能穿梭於建築物間的場景,或輕易地拉起身旁 的重物,甚至在《離家日》這一部片中,更能以蜘蛛絲撐住一幢即將倒下的樓塔。因此,從 影片中可以觀察到的是:蜘蛛人不僅可以輕盈地在城市裡跳躍飛彈,更能以蜘蛛絲拉起輪船 上的重物,真是讓人萬分驚奇,如圖二所示:

※圖二

然而那看似輕而易舉的行為,在現實中根本不可能實現的吧?脆弱的絲線怎麼可以承受 這麼大的重量呢?依據我觀察到的經驗,生活中常見的蜘蛛絲可是非常脆弱的,一被樹枝勾 到就分崩離析。 

 據此,我先去查找了網路上的資料,發現在 2014 年台大科學教育發展中心的「CASE 報 科學」中有一篇文章:【生物化學】蜘蛛絲最新應用與發展,作者是林宇軒,他就對於蜘蛛 絲有了強力的讚賞:「蜘蛛絲是由蛋白質堆疊而成,包括結晶以及非晶形的結構,並包裹入 一些分子幫助穩定蜘蛛絲,例如提供酸性環境以抗菌的磷酸氫鉀、抗酸的硝酸鉀等。蜘蛛絲 可承受的重量比等重的鋼鐵要強五倍,可吸收的動能則比等重的克維拉纖維(Kevlar)大上三 倍。」 

 此外,網路上查找的資料還顯示:「蜘蛛共有 6 種不同的腺體,每一種腺體製造出來的 絲功能都不一樣。如蜘蛛最常使用的絲是大壺狀腺絲,這種比較粗韌的絲並不具黏性,但支 撐力十足,因此被當作整個蜘蛛網的輻射狀骨架;鞭狀腺絲則賦予整個蜘蛛網強大的彈性以 及延展性,當獵物落入蜘蛛網中時會因驚慌而極力掙脫,但鞭狀腺絲反而會因不斷的受力拉 長而把獵物纏得更緊,使獵物最終無法脫離被捕食的命運。」 

 綜上所述,可以理解蜘蛛絲的強韌確實引起了很多人的關注。而這也使我開始思考:蜘 蛛人為何能輕易的靠著蜘蛛絲飛躍擺盪?那蛛絲擺蕩的角度與承載重量是否有關係呢?

3、 研究過程  

 因此,本研究旨在探討:蜘蛛人移動的時候,其所發射的蜘蛛絲與連結物體的施力關係 為何。 

 且全文中皆假設蜘蛛絲與天花板的夾角為 θ 。以下將分成「蜘蛛人僅靠蜘蛛絲靜止於連 結物體上時」與「蜘蛛人僅靠蜘蛛絲於連結物體上移動時」這兩個層面來探討: 

1. 蜘蛛人僅靠蜘蛛絲靜止於連結物體上時: 

(1) 若系統僅考慮繩張力 T,與重力 mg, 蜘蛛人若為靜止時,受力僅能為鉛直方向。 

力圖分解如右圖所示。 由牛頓第二運動定律可得知:T-mg=0,故 T=mg 因此,若蜘蛛人自身的體重剛好=T=mg,則蜘蛛絲便可以承載 蜘蛛人。

(2) 若系統考慮繩張力 T,重力 mg 與水平力 Fx 若蜘蛛人當時為靜止,力圖由下圖所示: 

並由牛頓第二運動定律可得知:T cosθ -mg=0,得 T=mg/cosθ 。 故蜘蛛人自身的若體重剛好=T=mg/cosθ ,則蜘蛛絲便可以承載蜘蛛人。 

2. 蜘蛛人僅靠蜘蛛絲於連結物體上移動時: 

若蜘蛛人僅靠蜘蛛絲移動,如穿梭在大街小巷中時,其力圖將如下圖所示:

徑向方向上,由牛頓第二運動定律可得知:T-mgcosθ =maN, 故 T=m(gcosθ +aN)。 在切線方向上,mgsinθ =m*aT,故 aT=gsinθ 以上,若不考慮其他的外在因素,僅用牛頓第二運動定律來分析, 可以發現直蛛人使用蜘蛛絲穿梭移動、連結物體等電影畫面,在現實生活中是可能成立的。 

4、 研究成果  

 不管是電影《蜘蛛人 2》中經典的擋下失控列車的情節,或者是《蜘蛛人:離家日》中 的各種驚險刺激的畫面,都營造了蜘蛛人使用蜘蛛絲的英雄故事。 

 而實際上,在經過上文的推論之後,可以發現在物理上的力學,可以實際呈現蜘蛛絲的 受力分力。此外,在經過資料查找後也可以發現:英國萊斯特大學曾有三名物理系學生對此 進行研究,發現僅 1 微米的蜘蛛絲,強韌性卻是同樣粗細的鋼絲的 5 倍,對此,他們仔細分 析了蜘蛛人以蜘蛛絲擋下地鐵的可能性。 

 最後,他們在《物理特殊主題》期刊上發表了一篇期刊:〈Doing whatever a spider can〉。 內容中架設列車及乘客的重量是 20 萬公斤,而列車以時速 88.5 公里行駛,如果要讓列車停止, 需要花 50 秒的時間。由上述描述可推論:必須要 30 萬牛頓的力才能使列車停止下來。而最 後他們的結論是:假設蜘蛛人射了 6 束蜘蛛絲,每束寬約 5 公分,確實有可能使快失控的地 鐵停止下來! 

 藉此,我們可以發現蜘蛛絲具有超強的韌性,且根據網路資訊,目前也有很多公司正在 研究開發蜘蛛絲的各種應用。綜合以上的論述,可以證明,如果撇除蜘蛛絲的材質或粗細等 因素,只單純探討力的關係,電影內容是合理的,也就代表,蜘蛛人能夠恣意飛躍於城市中, 並非無法達成,只要蜘蛛絲夠強韌,便也能實現那帥氣擺盪的夢想。

發表迴響

在下方填入你的資料或按右方圖示以社群網站登入:

WordPress.com 標誌

您的留言將使用 WordPress.com 帳號。 登出 /  變更 )

Google photo

您的留言將使用 Google 帳號。 登出 /  變更 )

Twitter picture

您的留言將使用 Twitter 帳號。 登出 /  變更 )

Facebook照片

您的留言將使用 Facebook 帳號。 登出 /  變更 )

連結到 %s