2014年4月18日

生活科學-視覺-神龍見首不見尾

高雄壽山動物園入口附近有這麼一根柱子,最上面的燈罩內是高速旋轉的LED燈條,藉由燈號的明滅與持續,從而展示出不同的圖文,這樣的電子產物其實一直出現在我們身邊,而且扮演傳達訊息的角色,所採用的視覺暫留現象則是現今電子資訊傳媒得以火熱延燒的科學原理。

不過看歸看,透過眼睛觀察時是一幅連續而完整的畫面,與透過手機或相機來觀察是兩回事。攝影器材基本上是以每秒30畫格的方式來拍攝獨立的畫面,也以同樣的頻率來播放動態的影像,動態的影像源自於視覺暫留,只要暫留的影像尚未消失前就補上下一張畫面的話,大腦就會將眼睛所看到的解釋成連續的畫面。

影像畫格的切換與銜接必須在1/16秒內完成才能呈現連續與動態畫面的協調感,但是當攝影器材儲存畫面紀錄時的頻率與光源頻率不同步時,就會出現拍不到的部分,就像是大家偶爾在新聞上看到的股市電視牆與傳統電腦螢幕CRT畫面一樣,都會有黑色的線條向上移動或向下移動。
透過眼睛看是完整的一條龍,但相機所拍攝的畫面卻是見首不見尾
而且每一段身體出現的時間並不一致,所以是斷斷續續的

像上圖畫面中所出現的部分圖案是某一瞬間出現的,雖然在分隔的獨立畫面中不連續,但是眼睛裡尚未消失的暫留影像加上才剛出現的新影像,組合成一幅完整的畫面。圖案還會逐漸移動, LED的明滅位置不是每一圈都相同,代表LED的發光頻率與旋轉頻率並非同步,至於圖案看起來是前進還是後退,則要看兩者的頻率差異,相關說明可參考生活科學─視覺─正轉還是逆轉?


不過對於相機而言,在每個極短的時間間隔內,所拍到的與眼睛所看到的並不相同,由於相機不像眼睛有視覺暫留的效應,所以透過攝影鏡頭觀看留存下來的畫面,就會發現畫面中所呈現的與眼睛所看到的有很大的差異。可能會發現畫面不連續,也可能會看到頻率的改變。

畫面不連續就像上面被鏡頭捕捉到的那一瞬間,所以會看到影像一段段的跳躍著出現,圖畫中有些部分會一直看得見,但相對的就會有一部分鮮少出現。而另外一種閃爍頻率的變化,肇因於畫面明滅的頻率與每秒畫格數目之間的倍數關係,使得有些部分無法拍攝到,所以會感覺到螢幕上所呈現出來的像是慢動作哦!

2014年4月14日

生活科學-生物-不同色光對生物的影響

在國中生物的考題中,曾經出現過一題是關於不同顏色的光對於植物生長速率的影響,這是必須從圖表趨勢來比較判斷的題型,裡面提到了植物在不同色光的照射下生長情形的差異,主要想測驗學生判讀的能力,並依判斷的結果選出合適的選項。

像這樣以不同顏色的光做為操縱變因,針對不同的生物去探討各種方面的影響,有的是針對綠豆生長,也有針對蚊子、蒼蠅的習性本能,更有將蟑螂生存策略作完整的研究,當然對人的影響研究也少不了,在網路上都可以查詢到很多相關資料與延伸研究。
萵苣在不同的色光照射下,生長速率及光合作用情形不同
人造光源已經成為室內水耕栽種的一部分,讓植物獲得充分的人工光照

色光已經是研究應用了嗎?在花博展覽期間,就曾經看到綠色植物在特定波長LED光源的照射下有助於光合作用與成長的設備,而不再只是使用各種波長都有的白光去照射。而且現在LED已經可以依照選用的材料不同而發出特定顏色的光,壽命與亮度也有獲得增強。 
LED光葉,利用LED補充室內植物所需光照,以延長觀賞期
另外可做增添夜間情境氣氛的照明

後來在海生館也看到了沈船區的水族箱內使用三種色光輪流照射水母,心裡便忖度著這樣的改變對於水母的收縮率、動作頻率是否有影響,後來在網路上查詢資料的時候,發現刺激種類與幅度的改變的確有影響。可惜參觀時間的限制使人無法久留,家裡也沒有水族箱可以增加養殖經驗,不過水母養殖有一定的難度,而且不是隨隨便便就可以養得活的,有興趣的夥伴可以參考這本水母繁養殖技術手冊
每隔幾秒就變換不同的色光,水母依然悠閒地游著
牠們對於不同的刺激應該也有特定偏好,需要長時間的觀察才能知曉

2014年4月9日

科學展覽品-流體力學-顫動的橋

在不少研習場合聽過美國這座有名的吊橋,在風的吹拂下,與橋樑自然頻率的共振讓振幅越來越大,從影片裡可以看到如此大的振幅讓人車無法在其上順利前進,甚至有隻狗在橋塌落前被好心人救了出來。手邊的文本也寫到這是當時富有盛名的體驗聖地,每逢假日,就有些人特地開車前來體驗這座搖搖擺擺的橋。
「塔科馬窄吊橋」……怎麼會多一個窄字?橋面明明就很寬
仔細查了英文原文,Tacoma Narrows Bridge,原來是「海峽」不是「窄」啦

看看自然頻率的魔力吧!顫動的橋是用以顯現驅動懸吊物體的自然頻率後,所引發的共振現象。這座橡膠「橋」是仿照在美國華盛頓州被風吹斷的「塔科馬窄吊橋」的模型。氣流不斷從側向垂直吹向這座橡膠橋面,使用者可親手實驗,切換風扇速度及捏住橡膠橋面不同位置,以造成不同的震動波形。橋面的前緣被捏住時,就會形成不對稱結構,使流經橋面的風不均勻,引發橋面的共振。每個流經橋面的風波都會增強共振,使得顫動振幅更加劇烈。「風扇與橡膠橋面」是共振現象、彈性結構對阻尼結構的絕佳教學工具,特別是用於橋樑設計。

中央大學的朱慶琪教授曾經提到,針對這座橋樑起伏現象的各個說法,可以說是正確的,也可以說是不對的。正確的原因是因為可以從各種不同的角度來解釋,像是流體力學中渦流、氣旋、波動裡的共振、頻率等等,而不對的原因則是因為不完整,也就是過於簡化、偏重於某個可以被接受的理論,就像是白努力定律被「廣泛」用來解釋各種流體現象,但卻忽略了它也是有限制條件的。

試試看
抓住其中一個有拇指紋的地方,注意觀察橡膠板顫動的幅度大為加劇。換另一個有拇指紋的地方,然後再試試抓住其他不同的部位,橡膠板拍打的方式有不一樣嗎?
拇指握住的點就像錨固定在特定處,讓橋面兩側的波動起伏情形不一樣
不同的錨定處將使得氣流通過時,會出現不一樣的邊界層氣旋或渦流

原理
你應該注意過風吹的時候,旗子、葉子,還有許多東西會顫動,或是來回波動。在這個展示中,風讓橡膠板快速震動,不過前提是你要把板子抓住,為什麼?因為你抓住板子的時候,其中一邊在風中比在另一邊更牢固。板子在風的吹拂下會傾斜,氣流開始沿著板子旋轉,形成所謂的渦漩氣流。渦漩氣流會使得板子更加傾斜,進而不斷生成渦漩氣流,導致板子劇烈顫動。

結果
塔科馬峽口吊橋會斷裂就是因為類似的渦漩氣流不斷地生成。(如照片所示)西元1940年,117日,強風吹斷了大橋一邊的懸吊鋼索,這樣一來就彷彿是橡膠板一邊被手指抓住一樣,板子開始不穩。斷裂的鋼索讓橋的一邊在風的吹拂下變得鬆垮,工程師認為這種不均勻的支撐力道促使強烈的渦漩氣流沿著橋邊形成,讓橋開始顫動,直到最後整個倒塌。

然而,這樣的科學解釋也會有些問題,雖然在展覽品一開始的說明中有提到物體的自然頻率與共振,但並沒有說明橋面為何在微風狀態下也會有波動。此外,吊橋坍塌當時的風勢也沒有太大,而且並非鋼索斷裂才讓橋面開始不穩,這就有點倒果為因了!更沒有提到空氣動力學中著名的Kármán vortex street(卡門渦街),這是很可惜的。