為何蜘蛛吊絲而下不會旋轉

一連三個星期, 從電視上看了三集已超過十年前的超級英雄電影Spider Man(蜘蛛俠), 對影片最深刻的印象, 就是那一句“With great power comes great responsibility”。

當年很多看過的同事、朋友, 都集中討論那些違反基本物理定律的「飛簷走壁」場面, 特別是無外在輔助動力, 從高而下可以快過地心吸力的加速率, 追上已經先跌下的人或物體。

何必太認真呢, 那並不是科學教材記錄片, 只是漫畫故事的電影版而已。不過有一種場面, 看來是不合乎現實, 但卻合乎科學, 那就是當蜘蛛俠用蜘蛛絲吊著身體, 從高處向下降落時, 身體能保持在一個垂直的平面上而不會左右轉動。

在現實中, 當用單一條繩吊起一件物體時, 物體會連同繩左右來回旋轉若干次, 視乎繩的粗幼、物體的大小和重量, 經過一段時間之後, 最終都會停下來。這種現象給需要如此處理物體帶來麻煩, 但卻無法解決, 唯有避免用單一條繩來吊物體, 在無可避免的情況下, 以另一條繩縛在物體的一端, 來控制其旋轉。又如警察或軍隊的突擊隊員, 從直升機游繩而下, 也會出現同樣問題, 解決的方法是盡量用較粗的繩、和盡快降落到目標處, 以減少旋轉的時間和幅度。

但蜘蛛從高處吊絲而下, 卻不會出現此問題, 蜘蛛絲不會令蜘蛛在空中左右旋轉。研究人員用蜘蛛絲做實驗, 將蜘蛛絲向左或右扭約180度然後放開, 蜘蛛絲只是「回彈」到約70度之處就立刻停下來, 不會來回旋轉, 蜘蛛從高處吊絲而下, 就不會被轉到頭暈, 也可以保持專注去留意獵物或敵人。

蜘蛛絲的這種特性, 是源自其表面上的特殊結構。蜘蛛絲是由蜘蛛「即時」生產的有機物質, 含有兩種結構不同、卻連在一起的蛋白質, 在絲的表面形成多條更幼的細絲。一種蛋白質的結構如快熟麪的「麪餅」, 另一種則如一條鍊, 在頭尾將兩塊「麪餅」連在一起, 而形成一條細絲。「麪餅」有彈性, 在受到拉力時, 可以伸延, 令蜘蛛網不容易因風吹、或捕獲的獵物掙紮而斷開。而鍊狀蛋白質沒有彈性, 在受到外力時, 結構立刻會被破壞和變形, 吸收了外力, 不會「彈」回原狀, 蜘蛛絲就不會來回旋轉了。

蜘蛛絲的這種結構, 如果可以應用在製造繩子方面, 就可以解決很多現時因來回旋轉而導致的問題, 有不少是與生命攸關的專業, 如突擊隊員、降傘兵、拯救人員、抹窗工人的吊繩等。對於我們一般普通人, 可以解決每天都會碰到的小麻煩, 就是手機耳筒的插線, 可免在收起後總是打了很多個結, 下次再用時要花不少功夫去解。

想起一句急口令: “隻黐線蜘蛛條絲黐住枝樹枝”。

還有Willie and the City Band(威鎮樂隊)的《好大個網》。

https://youtu.be/3pMNEAGfztc

「冇雷公咁遠」, 究竟有幾遠?

受颱風外圍環流影響, 過去幾日連場大雷雨, 有些時間雷聲連綿超過五分鐘, 閃電不斷, 伴隨而來的大雨在閃亮中登場。

中國傳統神話中有雷公, 那些做了傷天害理壞事的人, 雖然世間上的人對他們莫奈何, 但最終會有報應「天譴」, 其中一個方式就是會遭「雷公劈」, 如果想逃避, 就要跑到雷公去不到的地方, 但雷公是天神, 無遠忽至, 連雷公都去不到的地方, 就是「冇雷公咁遠」,一定是很遠了。

中國神話中的「雷公」, 是男性的天神, 他的伴侶是女天神「電母」, 他們是一雙一對的, 所以我們常常會說「行雷閃電」, 把兩種現象連在一起, 在現實中, 行雷和閃電往往都是伴隨在一起。雷聲, 是因為閃電而造成, 也是在閃電之後而來, 有時因為距離太遠, 只能見到閃電而聽不到雷聲。

其實雷公只是「得把聲」, 真正替天行道、教訓壞人的「劈」, 是由閃電來執行, 「行雷閃電」的破壞, 也是閃電所造成的。想要知道甚麼地方會是「冇雷公」, 首先就要知道雷公會在甚麼地方出現。

「行雷閃電」多發生在夏季, 特別是在下午的太陽很猛烈, 把地面曬得很熱, 近地面的空氣受熱而急速上升, 到了某個高度, 空氣中的水份遇冷而凝結成水滴, 累積起來而成為雲。當有更多水滴凝結成, 會互相依附而變成更大的水滴, 重量增加, 掉下來而成為雨。但在掉下的途中, 會被急速上升的氣流再推上更高的天空中, 那裡的溫度有可能是在零下10度或以下, 水滴會變成冰粒, 重新再掉向地面。在掉下的途中, 溫度漸高, 冰粒表面融解, 冰粒變得更小更輕, 又再次被上升的空氣重新推上高空, 在過程中, 會和正在掉下的冰粒相遇, 依附在一起, 變得更重而又再掉下。這個過程會反複多次, 冰粒越來越大, 直到上升的空氣無法再推上, 最終掉下。在接近地面時, 上升的熱空氣將之融化而成雨水, 沒完全融化的冰粒, 就是「冰雹」。

水滴和冰粒在雲層裡反複上升和掉落的過程中, 互相碰撞和摩擦而產生電荷, 雲層與地面之間也出現電壓差。當電荷累積達到一定的水平, 電壓差超過某個特定數值時, 會出現局部放電的現象, 產生閃電的閃光。同時電力將週圍的空氣急速加熱而膨脹, 產生如爆炸的聲音, 就是行雷的雷聲了。

這一連串的現象, 都是因為空氣上升和水滴、冰粒落下而造成, 環境就是在大氣層中最接近地面的對流層中。對流層的厚度, 約是十公里, 即約一萬公尺, 在其之上, 是平流層或同溫層, 稀薄的空氣只是作水平流動, 沒有空氣對流, 就不會有雲, 就不會有雨, 就不會有「行雷閃電」, 是「冇雷公」的地方。可是若要在該處逃避雷公, 亦不容易, 首先是要不停的飛, 而且空氣稀薄, 溫度在-50以下, 相信無人能捱得很久。

若然平流層太高太難捱, 可以考慮到地球上一些只會下雪而不下雨的地方。因為在下雪時, 一定是寒冷的天氣, 地面不會有急速上升的熱空氣, 就不會形成上升和掉下的水滴和冰粒, 不會產生電荷, 就沒有「行雷閃電」了。地球上的那個地方,  就是全年氣溫都在-15以下、終年積雪、氣候環境極端惡劣的南極了。

想避到「冇雷公咁遠」? 平流層或南極, 任君選擇。

窗戶的矛盾

清勁的南風, 伴隨著大雨, 為多天來的酷熱降降溫。但這只是室外溫度而已, 為了避免雨水打進室內, 不得不關上窗門, 如此一來, 享受不到清勁的南風, 還得開著冷氣, 否則在溫室效應下, 室內只會變得越來越熱。

在六、七十年代時, 常常看到一些唐樓分租房間招租的廣告, 賣點往往是「光猛」, 表示該房間是有窗的, 可以減少開燈的電費, 夏天也可以少開風扇。

窗門的基本作用, 是讓新鮮空氣流進室內, 並引進天然光線, 但以上的情況, 已令窗門失去了第一個作用。現時很多住宅, 都面對大馬路, 噪音、污濁的空氣, 也令有窗開不得。若猛烈的太陽直射進室內, 還得拉上窗簾, 再失去第二個作用。

記得以前居住過的地方, 夏天最高溫度會超過40度, 而冬天最低溫度卻是-5度以下, 一年中有如此大的溫差, 窗戶的設計是進退兩難: 大面積的玻璃窗門, 可以在寒冷的冬天時, 讓更多的太陽曬進室內, 令室內溫暖, 可是在晚上, 當需要開著暖氣時, 玻璃窗門卻是損失暖氣的最大途徑。相反, 在炎熱的夏天, 玻璃窗門又是外面熱力傳入室內的最大來源。面對這種矛盾, 解決的方法, 就是用深色、質料厚重的窗簾, 用以作為隔熱體, 阻擋熱力通過玻璃窗門流出流入, 保持室內恆溫。

「窗口位」在差不多所有的情況下, 都是最受歡迎的位置, 特別是在辦公室中, 更是「身份像徵」, 但很多人卻敬而遠之, 最多的原因是光線問題, 眼睛受不了, 其次是溫度。

在光線方面, 因室內較暗, 眼睛的瞳孔會放得較大, 以收集更多的光線, 可是在白天的室外, 會比室內的光線強得多, 已經放大了的瞳孔, 令眼睛被迫收集過多的強光, 令人有眼睛刺痛, 頭暈目眩的感覺。有些人的反應卻是相反, 室外強光迫令瞳孔縮小, 當要看辦公桌上的文件時, 會發覺好像光線不足一般, 容易做成疲勞了。在大機構的辦公室, 解決的方法, 是在「窗口位」處加強照明的燈光, 以「拉近」室外與空內的光線強度。

在溫度方面的理由很明顯, 一年之中最少有六個月, 室外的溫度都比室內的高, 熱力從窗外流進來, 像是在火爐旁工作。在大機構的解決方法, 是在近窗的地方, 加密冷氣的風口, 另外沿著窗邊設「風閘」, 讓冷氣在窗邊垂直吹下, 阻隔和抵消室外的熱力。可是如此一來, 卻令「窗口位」變成辦公室中的「寒帶」地區, 不但比其他地方溫度更低, 而且還不停的吹著「寒風」, 很多人都受不了, 就是穿著毛衣、外套等, 也被寒風吹得頭暈頭痛。

一些所謂甲級寫字樓的商業大厦, 外牆全是玻璃幕牆, 因光線和室內溫度, 得花更多的能源在燈光照明和冷氣, 實有違「環保」的原則。