分類彙整:2022國中組專題報導

可行嗎?穿越異次元的緋色子彈 | 2022數感盃 | 國中專題 | 金獎

作者 崔恩睿、陳其寬、康秉叡 / 宜蘭縣國華國中

壹、研究動機
    你看過《名偵探柯南:緋色的子彈》嗎? 
    它的劇情大致為:一場名叫「WSG」的體育盛會將在東京舉辦。日本為配合開幕式慶祝,結合日本所有先進技術做出最高時速達1000km的「真空超電導新幹線(把磁懸浮列車放入抽真空的超長人造隧道內)」,並在新名古屋站和東京新建成的芝濱站之間開通。
    在世人注目下,贊助商彙集的會場遇到突發事件,企業老闆相繼被綁架。根據柯南的推理,與15年前的在美國波士頓發生的禁忌的「WSG」連續綁架事件存在關聯。

    最終柯南在以 1000 公里的時速直衝東京的磁浮列車上糾出真凶,利用神槍手赤井秀一射出的那顆「銀色子彈」化解危機(磁浮列車先出發再射出),並阻止列車出軌。

    電影中神槍手赤井秀一射出一發穿越異次元的「緋色的子彈」,我們要以科學的角度來解釋它是否可行。
 (圖:赤井秀一射出子彈)
 (圖:子彈利用磁浮列車的軌道來追趕磁浮列車)

貳、探究過程
       看完電影後,我們先來認識一下日本磁浮列車EDS (電動力懸浮(英語:Electrodynamic_suspension)或超導型懸浮的原理,是利用磁極的同極相斥,讓車子浮在軌道上行駛,磁浮列車本身的磁極要與鐵軌上的磁極是相同的,電磁鐵通電時,鐵軌與電磁鐵相斥,把電磁鐵往上推,保持一定間隙使車身浮起來。
    (圖為相斥型磁浮列車構造簡圖)

首先,我們分析當時的狀況
       赤井秀一請FBI打造一枚特殊的銀彈,銀的比重(密度)比一般的鉛彈還要小(銀的比重=10.49,鉛的比重=11.34),重量比較輕,理論上可以飛得更遠。
       通常狙擊步槍開槍後子彈的初始速度是1000km/h,就和列車的最高速度相同,且列車在行駛中速度有逐漸減慢。因為我們在電影中看見子彈在空氣中飛行一段時間,才進到真空的隧道裡面,所以我們假定子彈進入真空隧道時速度是900km/h。

 接著我們要探討其他力量的影響
        在真空環境內,因為沒有空氣阻力,依據牛頓的慣性定律(靜者恆靜,動者恆動),子彈會依等速的直線前行,跟在太空中開槍一樣。可是這個真空隧道是在地球上,就算沒有空氣阻力也會受到重力,還有科氏力(地球自轉偏向力)的影響,軌道不會完全是直線的,所以電影中有了另一種解釋。
  根據FBI的搜查官卡邁爾所言,FBI特地為赤井秀一打造的銀彈在真空隧道中並不會被電磁鐵吸住,同時也能依據慣性定律以900km/h的速度向前行,不會受到空氣阻力、重力等影響。也就是說只要列車稍微減速,子彈就可趕上並打穿列車的超輕量材質,剩下的問題就是如何在恰當的時間與位置打中犯人。

將這個狀況列成算式
        假設列車車廂有10節,一節10公尺,車箱間距很短可忽略,假定列車速度在子彈進入隧道時是900km/h,之後每秒減少18km/h,子彈進入隧道時距離列車車尾x公尺(x>0)。
        問題:在列車到終點站,也就是速度降到0 km/h前,就射中壞人,求x的最大值與所需時間(以x表示)
        計算:

  1. 單位換算:900km/h=900*1000/60/60m/s=250m/s
    18km/h=18*1000/60/60m/s=5m/s
     36km/h=36*1000/60/60m/s=10m/s
  2. 設追到人需n秒(n≤50)
    子彈會動250n公尺
    列車會動 (250-5*0)+(250-5*1)+(250-5*2)++(250-5*(n-1)) 公尺
    等差數列,合為(首項+末項)*項數/2 
    =>  ((250-5*0)+(250-5*(n-1)))*n/2 =公尺
    因為子彈剛進入隧道時距離人x+100公尺,所以要加上去
    列式:  250n =+x+100
    簡化 => 5n2-5n+(-2x-100)=0
    求n =
    因為x>0,必不為正數,所以n=
    子彈追到人需
  3. 因為要在列車速度降到0 km/h前,就射中壞人,所以只有
  4. 因此必須<50秒
  5. 演算後得到x<6075,也就是子彈剛進入隧道時距離列車車尾不可超過6075公尺

再來,我們要研究射中的可能性可能的狀況
       照卡邁爾說的,這枚銀彈在真空隧道中可能變成了一顆電磁鐵,如此一來它就能依據磁浮列車的原理持續向前行。
       可是這裡就出現了一個問題,我們發現,銀是不適合拿來製作電磁鐵的金屬材料,就算把銀降溫到絕對溫度(也就是0K,-273.15°C),也不會發生超導現象(在低於某一溫度時,電阻變為零的現象)。所以當銀彈射到真空隧道時,有可能因重力造成非直線的影響,直接掉在軌道上。

最後,我們想找出一個合理的解釋
       要找出合適理由來解釋這顆銀彈,我們猜是FBI打造的銀彈裡可能裝設了線圈、電池與製冷劑,銀只是它的外殼而已,如此一來便能讓這枚子彈變成一顆電磁鐵。雖說這或許會讓這枚子彈反而比鉛彈還重,但相信在美國卓越的技術下,要做出這顆穿越異次元的子彈,應該可行。

參、結論
       經過了一連串的資料蒐集、討論及研究,我們發現其實成功的機率並不高,但我們也發現了它可能使用了不同的方式。以下是我們發現的結果:
1.銀彈重量比較輕,理論上可以比鉛彈飛得更遠,但穿透力比較差。
2.雖然在真空的環境中子彈,會依等速的直線向前行,但是隧道是在地球上的,所以  還會有其他力的影響,因此不可能直直地往前射。
3.當銀彈射到真空隧道裡時,很可能會因重力或軌道,造成它非直線的移動,就直接掉在軌道上。
4.在子彈裡裝設線圈、電池與製冷劑,銀只當它的外殼,就能讓這枚子彈變成一顆電磁鐵,在真空隧道中藉電磁感應向前飛行。

肆、參考資料:
1.維基百科:磁浮列車
2.電影:《名偵探柯南:緋色的子彈》
3.科學研習月刊42-2:認識磁浮列車
4.科學發明王1:磁鐵的特性