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打造化學工業的基礎!認真解析《Dr.STONE 新石紀》EP.11

作者:Celeste偽晴(躺平模式)│Dr.STONE 新石紀│2019-09-15 18:58:15│巴幣:106│人氣:4408
一、玻璃

 廣義的玻璃是物理上的一種物質狀態,在這個狀態下的物質表面上為固體,但是內部分子結構是散亂的。黑曜岩就是一種廣義的玻璃,是火山岩漿快速冷卻之後形成的,質地脆、破裂後容易產生鋒利的斷口。由於黑曜岩在成岩的過程中會包入一些水份,因此將黑曜岩燒到1000゚C以上時,會變成白色發泡狀的材料。這種材料由於多孔,隔熱和保水的效果特別好。


 一般我們所認識的玻璃則是一種透明、質脆、具有化學惰性的材料。玻璃的主要成份是二氧化矽,也就是石英砂。用來製作玻璃的石英砂應該盡量挑選純白接近透明的,若是材料中含有太多金屬離子的雜質可能會讓玻璃帶點顏色(當然也有刻意添加化學品來為玻璃上色的)。下一步是加熱石英砂使其熔化。不過,純石英砂熔點高達2300゚C,因此會添加碳酸鈉和氧化鈣,讓混合物整體的熔點下降到1500゚C左右。這樣製作出來的玻璃便是最常見的鈉鈣玻璃

之前1400゚C的高爐煉鐵就讓你們勞動得火眼金睛,1500゚C的玻璃製程我看你們倒滿愜意的嘛(笑

 這兩個素材從何而來呢?都是之前已經入手過的東西了。碳酸鈉可以從海藻燒過的灰燼中取得(翻譯組的小錯誤:不是烤過的海藻,而是燒成灰的海藻),氧化鈣可以用碳酸鈣取代,爐中的高溫會讓它分解成氧化鈣。


 將這些材料熔化成均勻的液態之後,接著將玻璃液冷卻塑型。在動畫中千空共示範了兩種塑型的手法:


 模具塑型,這是最基本的塑型方式,最早發明玻璃的古埃及就用這個方式來製造玻璃。這個方法可以用於製作形狀比較單純的玻璃器具,如鏡片等。若是要製作中空的玻璃器具,古埃及人的方法是在模具中倒入玻璃液後,在裡面放上一個陶土作的芯,等冷卻後將芯打破就成了中空容器。


 充氣法,也就是俗稱的吹製玻璃。這個方法約在西元一世紀被發明,在一根長的金屬管末端沾上玻璃液,然後一邊旋轉一邊吹入空氣來塑型。在這個過程中,會需要多次回爐加熱,反覆的塑型。


 在這個過程中我們可以發現,由於地球引力的緣故,吹入空氣後遠離吹管一側的玻璃液往往會特別多,這部份在將來會成為玻璃器材的底部。而吹管口一側也會附著較多玻璃液,則會拿來做成瓶口。


 從網路上找到了玄奘大學玻璃製程影片,可以看到動畫中所演示的玻璃吹製,基本上是完全參考現代的工法去畫的。


 在動畫中也為我們演示了一種玻璃的添加物-水晶玻璃。在燒製玻璃時加入氧化鉛,能大幅提高玻璃的重量以及透明度,同時硬度會下降而容易塑型,因此是在玻璃工藝中經常使用的素材。另外也由於穩定的光學性質,是常用於光學儀器的玻璃。


 不過,水晶玻璃是否真的比較適合拿來做眼鏡?這點並不一定。水晶玻璃的高度透明特性反而會讓一些對眼睛有傷害紅外線、紫外線更容易通過,或許不是件好事。

二、近視

 近視是現代人最常見的眼部問題,屬於曲光不正的一種,問題來自於外界的光線無法正常的在視網膜上聚焦。造成近視的原因有兩種:眼球的直徑過長,或是水晶體的彈性下降。普遍來說大家認為近視的成因是來自長時間讓眼睛聚焦於近處的物體,但其實近視的高風險族群之中很大一部分來自遺傳,也就是所謂的先天性近視。西瓜的問題可能就是如此。

近視眼的光學解析

 為何近視的西瓜會戴著瓜皮頭套或是瞇眼呢?這可以用針孔成像的原理來解釋。不過在這之前,我們應該先了解,是什麼原因讓投影的影像變得模糊的?道理其實很簡單,模糊就是在投影螢幕上的同一個位置,卻有來自物體不同位置的光成像。因此,同一個位置上疊加了不同的影像,就會造成模糊。
 了解了造成模糊的原因,接著來解釋針孔成像吧。所謂針孔成像是指來自物體的光線經由一個無限小的針孔落到投影螢幕上,從而產生影像。從這個描述我們可以知道,針孔成像是絕對不會產生模糊的,因為無論是從物體上任何一點所發出的光,都只有一道能夠準確的穿過針孔而成像。但與此相對的,由於針孔成像大幅的篩檢了能成像的光,使得進光量相對減少很多,因此成像也比較暗

 接下來介紹一下眼球的光學原理。我們的水晶體可以被視為一個凸透鏡,凸透鏡的功能是聚焦,而從眼睛外部進入的光線,正好就聚焦在視網膜上。這時想像眼球的直徑變長了,則物體影像就無法順利聚焦在視網膜,而是往前聚焦了。因此,原本應該聚焦的光反而分散開來,影像便模糊了。
 那麼,瞇起眼睛又會有什麼幫助呢?瞇眼的作用是減少進光量。進光量一旦減少,可以造成模糊的光也跟著減少,因此模糊便會得到改善。這是個治標不治本的解決方法,因為這樣在減輕影像模糊的同時,也會讓視野變得灰濛濛一片。


 同樣的道理,西瓜的頭套也是通過主動限制進光量來達成減輕模糊的效果。只不過,西瓜頭套上的洞挖那麼大,效果肯定很有限。
 因此,為了更有效的解決這個問題,就要輪到近視眼鏡登場啦。

 近視眼鏡是一個凹透鏡。我們前面已經提過,近視的成因是影像提早聚焦,因此能分散入射光線的凹透鏡就可以協助聚焦延後,讓影像成功能的聚焦在視網膜上。依據近視的程度不同,焦點位移的距離也會不同,這也就是所謂的近視度數。配眼鏡時需要驗光,為的是確定近視眼鏡的焦距能符合眼球焦點位移的程度。


 一般我們在配近視眼鏡時,會先由眼科醫生測量近視度數,再挑選視當焦距的鏡片。測量度數的方法是很簡單的相對比較,圖片上的符號會逐漸縮小,直到看不清圖案的細節時,就代表相應的度數。若是配戴的眼鏡度數不夠,不但無法完善解決模糊問題,更有可能加速近視的惡化。
 不過,千空等人並沒有這一些相對數據可以參考,所以使用了最原始的手法-一邊驗光一邊打磨鏡片。


 近視眼鏡幾乎可以說是現代人身體的一部分了。隨著科技的進步,隱形眼鏡、多焦點鏡片這些特殊的眼鏡也越來越多,的確正如千空所說,不會再有人把近視當成疾病了。不過,高度近視所伴隨的其他眼部疾病風險仍然是一大問題,這部份有些甚至是現代醫學還沒有辦法解決的,不可不慎。

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【本週總結】
提及的科學議題:2
可行的:2
不可行的:0

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つづく...
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留言共 12 篇留言

Sticky Fingers
這集需要科普的東西好像比較少
不過寫起來也不輕鬆[e9]

09-15 19:03

Celeste偽晴(躺平模式)
也是因為相對較少所以可以花比較多時間去講解細節[e24]09-16 23:54
第夫CCF
看戲民眾前來報到

09-15 19:11

Celeste偽晴(躺平模式)
歡迎入場09-16 23:55
黑子
主題少,但是內容也不少

09-15 19:37

Celeste偽晴(躺平模式)
新石紀就是這麼的充實09-16 23:55
狸貓座
直接晉級眼科醫生

09-15 19:40

Celeste偽晴(躺平模式)
有知識什麼都能做到09-16 23:55
吼搭啦
1500度會比較愜意,是因為有拉麵攤獲得勞工,輪班不用自己人
另外他有特意鋪玻璃磚,作為桌面可以保持平坦
大大也可以再追加一條關於先天跟後天近視的可能
動畫有畫出,狗狗守住冷卻窯不讓別人亂XDD

09-15 19:57

Celeste偽晴(躺平模式)
雖然有輪班,不過動畫只有畫出千空和阿鉻兩個很愜意的在壓風扇[e18]
玻璃的功用真的很多,雖然我是覺得在還無法量產的時候就拿來鋪桌面奢侈了點[e8]09-16 23:58
Celeste偽晴(躺平模式)
然後狗狗...看起來牠只是西瓜在哪裡牠就待在哪裡XD09-16 23:59
滴答人-最後的魔法師
我天哪!好多都要筆記吧

09-15 22:49

Celeste偽晴(躺平模式)
反覆看了大概三次才確定要講解哪些09-16 23:58
玥晴 Luna (#ΦωΦ#)
真硬核科普動畫

09-15 23:36

Celeste偽晴(躺平模式)
新石紀的故事就是這麼的硬核09-17 00:00
Wola
我一直以為做玻璃就是單純的把矽砂融化就可以搞定了
看了這一集才發現自己錯很大(汗)

仔細想想,老祖先能發現做玻璃的方法真的是很厲害
畢竟就是加了碳酸鈣的矽砂融點也要上千度啊

現代智慧的累積,我想源頭都來自於人類強大的好奇心吧
你一旦好奇,就會觀察跟做很多實驗來玩
而那些沒被好奇心殺死的人,就能把知識累積下來了

像我國小時一知道酒精容易燒,鹽酸能溶解東西
就一股腦燒酒精來燒東西,到處拿東西泡鹽酸看會怎樣
現在想想,當年沒發生火災,沒受傷真的是運氣很好

09-16 16:31

Celeste偽晴(躺平模式)
真的深入研究之後才發現有很多事情不如想像中那麼簡單
尤其先人在那樣各種設備都不完善的情況下還能一步一步發展出這些學問,真的很了不起

想來我也是差點要被好奇心殺死的人吧,記得小時候有一次好奇拿螺絲起子去插插座,結果害全家跳店[e20]09-17 00:03
消失的月亮(~I am God~)
說真的這老爹也真恐怖,只看一輪就知道第一次看到的玩意的材質特性與製作的竅門....

09-16 23:27

Celeste偽晴(躺平模式)
當了五十年的工將可不是當假的,悟性和手藝都不是蓋的09-17 00:04
沒有名字的怪物
看完這集之後我去翻了漫畫,劇情精彩緊湊,雖然我的想法反而跟司比較相近,少年漫畫不外乎鎖血開掛無極限、戰力全靠吼,雖然科技與製作水平,時間、資源與人力配置,其實不太可能完成啦ww,但是從無到有不斷追求突破,雖然很順利還是會有失敗,真的會讓人一直想看下去,我老了作品也看太多了,單純的熱血或爽感已經無法滿足我了,新石紀是一部頂級的少年漫畫,也是這個類別我好久沒看到的良作啦ww

09-18 22:31

Celeste偽晴(躺平模式)
新石紀最讓我盛讚的地方主要有三個
一是劇情中所謂的科學真的都有經過查證,而且作者有辦法把這麼硬的科學用很有趣的手法呈現出來,不僅不會讓人看得無聊,甚至當成一般科普讀物也滿適合。只不過一般少年漫吼的是戰鬥,這邊吼的是良率XD 從完全沒有經驗到真的做出這些高科技的東西,沒失敗個上百次我是不信的
二是緊湊的劇情編排,沒有因為要搞科學所以忽略了故事線的推展,而且劇情設計合理又不會飆車,即使單論編劇也甩很多動漫畫好幾條街
第三就是畫面呈現了,漫畫原本就是作畫精良、有時帶點顏藝的風格,動畫更是把這點完美還原,看得出經費也很敢砸。尤其聲優表現也很出色,不看動畫我真的覺得可惜09-18 22:46
沒有名字的怪物
作者對於科學的劇情設計非常用心,也是這部作品的主軸與獨一無二之處,C兄想獨自整理真是辛苦啦!加油!支持您為您應援~

題外話 在這石之世界,我大琥珀天下第一可愛,根本無敵,漫畫越看越這麼覺得結果越看越慢,一張琥珀的圖要看半分鐘,我什麼時候能看到打完司帝國(趴~

09-18 22:39

Celeste偽晴(躺平模式)
有這麼用心在考據科學的作者,我覺得如果沒有用心整理的讀者就太不尊重了。身為一個科學工作者,我覺得我有這樣的使命感
琥珀在動畫裡真的畫得很可愛,來不及截圖了XD09-18 22:54
沒有名字的怪物
跟多數少年漫有明顯的區隔真的很棒ww 科技要發展到如今是數千年的事,就算知曉製作方法,在資源缺乏的情況下無中生有,別說十天,數月隔年可能都是常見的事,只能說作者拿捏非常得宜,如C兄所說的,科學是很生硬的東西,能調理這樣的素材實在佩服。

09-18 23:00

Celeste偽晴(躺平模式)
新石紀在題材上真的跟傳統少年漫差很多,即使如此還能把科學和少年漫結合得很完美。我真的很佩服作者,像這樣的科學教本是我一直想致力的,可惜資質駑頓才疏學淺,現在看到有人做得這麼好,有性能看到這部作品真的是一大幸事。09-21 20:45
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