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國立臺灣大學機械系-科普文章
 
陳亮嘉教授 光學超解析技術

文、圖 ◎ 李維耘同學、 陳亮嘉教授

當我們使用望遠鏡觀察月亮,或者使用成像顯微鏡觀察細胞切片,會發現我們沒有辦法完全地看清楚月球或細胞表面的所有細節。若只依據幾何光學成像原理,我們並無法很好地解釋這個現象。但當我們不再單以「直線」前進來看待光的行進,而是以「波動」來理解,我們可以看到更多光學特性的出現。

    在我們釐清是甚麼原因造成成像模糊之前,我們必須先對光在鏡組中的傳播(Wave propagation)有些了解[1]。我們可以將成像系統簡單地看成由「物」(Object)、「瞳」(Pupil)、「像」(Image),三項所組成,物即是我們想觀測的待測物體;瞳可以理解為顯微鏡或放大鏡的鏡組(Lenses)孔徑,其包含入瞳(Entrance Pupil)及出瞳(Exit Pupil)...繼續閱讀

陳志軒教授 形狀記憶合金

文、圖 ◎ 陳志軒教授

    形狀記憶合金(shape memory alloys, SMAs)是金屬領域中相當重要的功能性材料(functional materials),屬於在機械性能以及形狀方面可重複使用的特殊金屬材料[1]。形狀記憶合金的功能特性來自固體-固體間的熱彈型(thermoelastic)麻田散體相變態(martensitic transformation)。就像在工程材料中學到的,鋼鐵材料在高溫有沃斯田鐵相(austenite),而沃斯田鐵淬火後可能產生麻田散鐵(martensite)。記憶合金中的相變態採用同樣的命名方式,高溫的狀態稱為沃斯田體相或者母相(parent phase),具有較高的晶體對稱性(通常晶體結構為正方(cubic)晶系);當高溫狀態的母相經過降溫或者受外力誘發後,可產生晶體對稱性較低的麻田散體相#。形狀記憶合金即是透過此兩個固體相之間在不同溫度或應力狀態下的往復轉換,提供特殊的形狀記憶功能。這篇文章中,將簡單介紹形狀記憶合金的基本特性與原理,包含:形狀記憶效應(shape memory effect)、超彈性(superelasticity/pseudoelasticity)與彈熱效應(elastocaloric effect)。...繼續閱讀

為什麼戴上VR頭盔會頭暈?
圖、文 ◎ 石耘碩同學、陳湘鳳教授

近來虛擬實境(virtual reality, VR)技術隨著硬體設備的發展而進步。VR輸出設備從最早的電腦螢幕,進步到現在的3D頭戴式顯示器(head-mounted display, HMD),或稱VR「頭盔」。輸入設備則進步到目前廣泛應用的手持控制器(handheld device),或手部追蹤(hand tracking)。VR可提供使用者身歷其境的立體視覺感受。並且在硬體規格提升、控制平台成熟、價格逐漸合理化、應用內容增加之加持下,加速普及VR技術在各領域之應用,例如教育訓練、產品設計、工程、醫學、娛樂等。.繼續閱讀

 

 

 

固體機械系統於不確定荷載分析與設計
王建凱助理教授

在各種物理、化學與生物環境中,具有特定材料分佈之固體機械系統於穩態變動外力與扭力(或稱負載)過程中,有可能在不同方向造成極值變形,例如汽車引擎齒輪系統,當運轉的時候,在不同位置承受負載,當長期運轉時,有可能造成齒輪損壞。因此設計工程產品初期設計階段,需考慮對應各種環境負載之最大響應,才能夠發展出能夠全面地具有最佳服務性能之工程系統。一般工程設計所使用的最佳化設計理論,皆針對確定之載荷條件(已經知道負載的大小與位置),成功地以數值演算方法求解出最佳之固體介質分佈,如圖一與二所示。...繼續閱讀

 

 

水球與黏著液滴共振現象的相似性
張鈞棣著、楊馥菱編修

在地表進行前文談及的黏著液滴實驗時(詳見「懸浮液滴共振頻譜上失落的拼圖Part1~3」、「黏著液滴接觸線形狀對共振行為的實驗探討」二文),若希望減低重力的影響,液滴的體積必須控制在數十微升(μL)以下。但液體的表面波形無法以接觸式量具直接量測,然要借助非接觸的光學攝影,卻又因為液滴尺寸太小、振盪速度太快而極為困難。跳出這個框架,我們思考或許是否可以透過適度提高液滴的表面張力、並使液滴表面不沾黏固體來克服上述的兩個技術問題。就此,我們嘗試以日常遊戲的水球來代替水滴,以更簡便的實驗設定來進行共振實驗模態的觀察。但當水球共振時,表面波的行為會跟黏著液滴共振的行為相似嗎?...繼續閱讀

 

 

黏著液滴接觸線形狀對共振行為的探討
文、圖張鈞棣著、楊馥菱編修

液滴的力學行為與諸多工程應用息息相關,包含噴墨印刷、噴霧製造、熱傳增強、微量液體混合與流體性質量測等等。而液滴的類別,可粗分為不與任何固體接觸的「懸浮液滴」,以及附著在固體表面上的「黏著液滴」。關於懸浮液滴,我們在稍早的「懸浮液滴共振頻譜上失落的拼圖Part1~3」已有相關的介紹。懸浮液滴因為外型簡單,自然共振的力學模型並不複雜,早在1879年Rayleigh即完成推導。但穩定地懸浮液滴需要克服諸多技術瓶頸[1],因此量化實驗在時間上比理論發展晚了整整一百年。
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風力發電整體成本架構及本土化發展
楊鏡堂教授/碩一陳怡妏

風的產生是因為空氣的流動,因此可以透過動能的計算,並且考慮風機葉片的掃掠面積,可以得到通過的風蘊含了多少能量,如下圖一。而風機葉片能夠從中擷取的能量其實是有限的,如果風機葉片擷取了風蘊含的所有能量,則表示空氣會在通過葉片以後完全停滯,進而造成後方空氣堵塞,反而不利於發電。經過理論的假設與計算,德國物理學家貝茲計算出風機的最大發電效率約為59%,此即為著名的貝茲定律。配合政府能源轉型與綠能政策的推動,不僅有數家國外離岸風力發電開發商於國內建置離岸風場,如沃旭能源、達德能源、CIP等,也有國內本土之廠家投入離岸風力發電,如台電、上緯、永傳等,共同開發國內良好的風力資源。...繼續閱讀

 

 

可透氣式聲音濾波器
文、圖◎劉建豪副教授

多孔隙吸波材料與聲波週期結構經常應用於阻隔聲音與抗噪,例如應用於工廠吵雜環境與隔絕生活環境周遭的噪音,一般多孔隙吸波材料將纖維、粒子與立方晶體等內含物加入結構內,形成高損耗材料,如圖一(a)所示,當聲波在結構中傳遞,聲波能量會逐漸衰減,當多孔隙吸波材料的厚度較厚時,則聲波能量會在結構內衰減至零,如圖一(b)所示,多孔隙吸波材料在聲波的範圍內(200 Hz- 1200 Hz),具備不同的聲波吸收能力[1]。聲波週期結構是藉由將每個單元週期排列,當工作頻率為於能帶隙時,聲波能量也會隨著傳遞距離逐漸衰減至零。但是多孔隙吸波材料與聲波週期結構不適用於低頻吸音材料,因為聲波的頻率相對低,所以對應的波長較長,造成多孔隙結構與聲波週期結構的體積龐大。
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擺線族曲線在機械工程上的應用
文、圖◎李志中教授教授

對於一個圓在直線或另一個圓上滾動時,圓上任一點所描繪的軌跡,早在十五、十六世紀時,便有數學家笛卡爾、天文學家伽利略及科學家牛頓等人研究。當時的研究著眼在是否能產生等週期運動的單擺、等時降曲線(Tautochrone curve,意謂一種曲線可以讓質點不論放置在曲線上的任何位置,使其自由下滑時,均可同時抵達最低點)、最速降曲線(Brachistochrone curve,意謂一種曲線可以讓質點放置在位置A時,使其自由下滑到達另一不高過於A點位置的時間最短)以及適合的齒形供帶齒的轉輪使用。直到今日,仍有許多數學家著迷於此種曲線的研究。...繼續閱讀






漫談掃描穿隧電流顯微術STM
文、圖◎廖先順副教授

掃描探針顯微術(scanning probe microscopy, SPM)是在奈米尺度量測領域中一個非常重要的技術。2004年我因著碩士班指導老師呂宗熙教授而首次接觸此一技術,自此十分著迷而持續進行相關研究與工作至今。這次很高興能藉此機會與系上同學們聊聊SPM中最早期的一個技術:掃描穿隧電流顯微術(scanning tunneling microscopy, STM)。STM是在1981年由德國物理學家Gerd Binnig以及瑞士物理學家Heinrich Rohrer於瑞士蘇黎世IBM所成功實現,他們也因此卓越貢獻而榮獲1986年諾貝爾物理獎。順帶一提,當年獲得諾貝爾物理獎的共有三人,另一位獲獎者德國科學家Ernst Ruska則是因為設計了第一台電子顯微鏡而得獎。STM的成功開啟了SPM發展的大門,日後各式SPM技術百花齊放,提供了在奈米尺度下各種物理量的量測技術。...繼續閱讀



同步輻射加速器簡介
文、圖林明泉博士

自從人類發明放大鏡、懂得利用光學元件觀察物體的微細之處後,對物質的微觀世界的了解越多,就想觀察的更仔細。進一步組合各種光學透鏡、發明光學顯微鏡不說,連電子顯微鏡都做了出來。但要說到目前科技所能達到的極致顯微鏡,就是以粒子加速器將帶電粒子加速到極高能量後,利用其物理特性發射出同步輻射光所能提供的亮度最高、解析度最好,成為科學研究的一大利器。目前發展中、更新式的光源是自由電子雷射,同樣也是利用高能量的粒子加速器來產生光子,其雖能提供更好的時間解析度與光學解析度,但基本上同一時間只能提供一位用戶使用,在效益上較差。因此在本文中僅針對同步輻射光源加速器進行特性介紹,夾雜個人的想像與譬喻,讓系友們可以大致了解這科學神燈的基本原理,不是硬梆梆的正式學術文章,有些內容一笑置之即可。如果系友們對同步輻射光源有更高的興趣,也可以進入我們臺灣的國家同步輻射中心網頁(http://www.nsrrc.org.tw/chinese/lightsource.aspx#devices)瀏覽,裡面有更多圖文並茂的專業介紹,並提供國際上其他主要加速器的網站連結。...繼續閱讀

 

被「看到」的力量
文、圖黃育熙教授

從國高中物理接觸的牛頓力學第一運動定律:靜者恆靜、動者恆動,到第二運動定律:力量等於質量乘以加速度(F = ma),學生們在求學階段被多樣化的力學計算問題「荼毒」了許久,一直到進入機械領域強調的三力(靜力、動力、材力),許多人對於力學計算似乎都認為只是紙上談兵,頂多看到了掛已知重量的重物、或者利用彈簧伸長量來間接知道真正的「力量」量值。

本系學生一直到了大三,經由「量測原理與機械工程實驗」課程,才開始有力量是為間接量測獲得的量值的概念,乃是運用各種物理原理的感測器在一定假設或校正方式之下,進行實驗量測推算而得。當然對機械系的學生而言,最基本典型的力量量測感測元件就是應變規了。簡單來說,就是經由彎曲累積長度的金屬線所構成的電阻元件,藉由長度變化造成電阻的變化透過跨壓的改變,藉以反推該長度變化下的應變量值,再經由虎克定律計算出應力的大小。這種方法大約在1950年前後於金箔分佈形狀可掌控其製程後即商品化,成為基本應力應變量測的主流。...繼續閱讀

懸浮液滴共振頻譜上失落的拼圖 Part 3
文、圖◎張鈞棣教授、編輯◎楊馥菱教授

液滴振盪的相關研究始於RayleighLamb的小振幅振盪理論,但液滴的大振幅振盪似乎卻跟工程應用更直接相關。譬如,大振幅振盪使人們可將大液滴打散成許多小液滴,藉以在空氣中製造噴霧,或在液體中產生穩定的不互溶懸浮微液滴。反之,若能抑制液滴的大振幅振盪,噴墨印刷的墨滴將不再因不規則地破裂擴散,印刷品質即可提高。下文中的「大振幅」將不限於使液滴破裂的振幅,而是任何觸發液滴非線性振盪的振幅。...繼續閱讀

 

懸浮液滴共振頻譜上失落的拼圖 Part 2
文、圖◎張鈞棣教授、編輯◎楊馥菱教授

在地球的重力場中,懸浮液滴實驗一直有個難被滿足的基本需求:一個非接觸式的液滴懸浮工具。因為沒有這樣的工具,人類在Rayleigh發表1879年懸浮液滴共振理論後的一百年間一直無法進行量化的液滴共振實驗,文獻中當然也就沒有任何相關的實驗結果。就此,地球的重力把近代的懸浮液滴實驗整整推遲了一百年。...繼續閱讀

懸浮液滴共振頻譜上失落的拼圖 Part 1
文、圖◎張鈞棣教授、編輯◎楊馥菱教授

從浴廁龍頭濺灑的水珠、下雨的雨滴、噴墨印刷的墨珠到各種藥劑噴霧,液滴普遍存在於我們生活和工業製程的各個角落。相對於附著在固體表面上的黏著液滴,懸浮液滴是不與任何固體接觸、只被不互溶流體包圍的液滴。在無重力的環境中達靜力平衡時,懸浮液滴是完美的圓球。而這種液滴的共振現象的研究發展,是本系列文章的主題。...繼續閱讀

顆粒流的惡趣味:(一) 微觀傳遞機制
文、圖◎楊馥菱教授

顆粒流,是一群離散固體顆粒集體運動的巨觀現象,常見於工業製程(顆粒研磨拋光、切削、穀糧運送分級包裝、3D列印進料等等),或是令人聞之色變之自然災害(山崩、雪崩與土石流)。而日常生活中,最熟悉的例子就是我們用來計時的沙漏裡,從上往下流動的沙流。...繼續閱讀

自然對流毛細管聚合酶連鎖反應
(Capillary Convective Polymerase Chain Reaction)
文、圖◎陳炳煇教授/編輯◎楊馥菱教授

當我們感染的病毒或是其他的細菌與病原體,為了採取正確的治療方法,醫生常必須確認病人感染的病原體,而這樣的病原體在我們人類的血液裡面數量並不多,也因此在人類的血液檢體當中濃度通常很低,雖然有辦法得到這些病原體的DNA或者是RNA,卻需要將其濃度倍增,以增強偵測效果。而我們在生物課常聽到聚合酶連鎖反應(PolymeraseChainReaction,簡稱PCR),就是一種生物體外擴增雙股DNA的重要技術。而發明此技術的美國生物化學家KaryBanksMullis在1993年獲得諾貝爾化學獎。...繼續閱讀

鳥蛋—完美之物
文、圖◎莊嘉揚教授

「哈利波特低頭望著那窩蛋,注意到那枚在其他水泥色龍蛋中閃爍發光的金蛋,就擱在龍的兩隻前腿中間。『好,』哈利告訴自己,『就用聲東擊西戰術……我們走……』」

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