点解踩蕉皮会滑倒？搞笑诺贝尔奖脑洞大开｜STEM教室

每年的诺贝尔奖志在表彰在不同领域作出最重要发现或发明的人，但同一时间亦有一个「搞笑诺贝尔奖」（Ig Nobel Prize），表彰十种「不寻常、推崇想像，并激起人们对科学、医学与科技兴趣」的科学研究，例如踩蕉皮的摩擦力、怎样捧咖啡最安全等等。科研除了帮助人类解决大问题，亦可解决生活的疑难杂症。今期STEM教室就整理「搞笑诺贝尔奖」历届得奖研究，从中挑选了四项让人「脑洞大开」的物理学研究，和大家分享科学的趣味。

历届的搞笑诺贝尔奖和特制奖杯：

2019年颁奖主题为「习惯」，特制的「习惯奖杯」上聚集了让人上瘾的元素：外带咖啡杯、口香糖、彩券、手机、牙刷、烟等，另外还有一张纸制奖状，以及「十兆」元辛巴威币奖金。

2017年的主题为「不确定性(Uncertainty)」，图为法国研究员法丹（Marc-Antoine Fardin）因「一只猫可以同时是固体和液体吗？」的研究报告得奖而上台领奖的一刻。

台湾裔美国籍科学家胡立德以「哺乳动物尿尿时间为21秒」研究得奖2015年搞笑诺贝尔物理学奖。

2014年得奖研究包括人踩到香蕉皮不会马上滑倒、狗大便时呈南北向姿势等。图为搞笑诺贝尔奖发起人高举当年其中一个奖杯。

2013年获奖项目包括发现银河能为屎壳郎引路，还有如何接上被嫉妒的妻子割下的阴茎。

2007年的「鸡生蛋生鸡」奖座。

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基本概念：力学

力学是物理世界的重要范畴，接下来提到的四项实验都与力学有关，而应用力学本身亦可以分为静力学、 动力学、运动学。静力学研究物体的平衡状态；动力学研究物体的运动状态和因素；运动学则把物体视为「刚体」，专门描述物体的运动，而不考虑作用力、质量、性质等，应用力学较常用作解决工程技术问题。

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2021：街头动力学→行路勿低头

街道人来人往，为甚么我们很少迎头相撞？物理学家提出了「自我组织」（self-organization）， 解释「行人自动跟随相同方向人潮」的现象。但是，自从出现了智能手机，人人成为低头族，打破了这项不明文规定。东京大学先端科学技术研究中心的村上久（Hisashi Murakami）博士邀请了五十四名大学生，分成左右两组，各二十七人。两边的人分别戴上黄色和红色的帽，以正常的走路速度朝另一边前进，研究者以摄影自动追踪系统，记录和研究他们的行进速度、分布、转弯角度等数据，改变不同变项，最后得出研究结果。

他发现只要路人队伍的「领头羊」滑手机，紧随其后的路人便很容易「方寸大乱」，造成大挤塞的情况；相反，若是队伍的中间或后面的路人滑手机，对行人路秩序产生的影响则少得多。

（图一）B部分显示不同情况下的实验结果，如左上方的图表，显示行人队伍前方的人滑手机，路上便会呈现一片纷乱的状态，整条队伍的行进速度都会变慢，形成人流的时间拉长至六秒。

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2017：流体动力学→倒着捧咖啡

同学有没有试过「倒泻」饮品？ 如果有，便要学学二○一七年「搞笑诺贝尔奖」得主Han-Ji-Won，他还在韩国读高中的时候，就以十五页论文研究得出「最强」捧咖啡方法：「抓住杯口，向前看，倒着走。」

看来令人哭笑不得的研究题目，自然少不了实际的科学知识和严谨的研究方法。这名「无聊」的韩国高中生观察一般人捧咖啡杯的情况，发现杯内液体的晃动可分成前后、左右、上下几种模式，而不同模式之间晃动的频率并不一致，当晃动叠合，杯内液体便会调皮地溢出；加上不同形状的杯子亦会影响液体的晃动模式。

（图二）（a）、（b）分别是马克杯和红酒杯以2Hz的频率振动，可见红酒杯中的液体表现得极不安分。 （c）、（d）以4Hz的频率重复实验，这一次，液体直接从马克杯中跑出来，另一边红酒杯的液体反而不动如山。

（图三）经过实验和计算：在频率为3.8Hz的时候，液体的振幅最大，最容易溢出杯子。

至此，我们已得出几个影响液体溢出的变量，那么要如何找出最不容易令液体溢出的方法呢？

手机APP记录移动数据

原来这个实验十分简单，只要你有一部智能手机，下载能够记录手机移动数据的应用程式（Sensor Logger），打开程式后把手机盖在杯子上，模拟不同的行走方法，程式会记录手机前后、左右、上下的方位改变、速度，甚至磁场改变，分析这些数据，例如频率和振幅，找出最理想的捧杯方式。

（图四）从手机纪录的数据可以得出拿杯子时的振动频率，「拆解咖啡溢出背后的原理」。研究最后建议大家以五指抓住杯口，是防止咖啡溢出的最佳方法。

充满好奇心的同学，不难想像在日常生活中，也可以利用这个应用程式来研究身边大小事，例如「哪一条巴士綫路最适合睡觉」、「如何跑步最省力」等等，只要多观察，科学实验原来也可以很简单。

Sensor Logger App

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2014：香蕉摩擦力→滑倒的真相

踩蕉皮滑倒的画面常令人捧腹大笑，是电影中常见的桥段，不知道各位同学有没有踩蕉皮的经验呢？日本北里大学的研究团队决定认真研究「香蕉皮有多滑」，找出蕉皮令人滑倒的真相，这项看似开玩笑的科学研究，夺得二○一四年「搞笑诺贝尔奖」。

日本北里大学学者马渊清资（Kiyoshi Mabuchi）展示「香蕉皮有多滑」的研究成果。

这个「搞笑」的实验用上可以测量正向力和横向力的感知器，在感知器上放一块地板，地板上放置黄皮朝上的香蕉皮，然后「不幸」的研究人员穿鞋子踩上去一滑，将结 果得出的横向力除以正向力（μ =(fx2+fy2)0.5/fz），可得出蕉皮与地板之间的摩擦系数。多次测试后，研究团队的得出蕉皮的摩擦系数是0.07。研究又引用其他科学文献指出，对一般人的行路模式而言，脚踏在摩擦系数低于0.1的表面，滑倒机率大于百分之九十。

（图五）研究报告〈Frictional Coefficient under Banana Skin〉中实验装置的示范图。

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补充资料

摩擦系数（Friction）

摩擦系数是两个物体表面之间，摩擦力与正向压力的比值，受滑动面的性质、粗糙度、表面状态影响，数值愈大，代表物件表面愈粗糙。下表是一 些常见物件之间的摩擦系数。

物件一	物件二	表面状态	（静）摩擦系数（μ）
冰	冰	清洁	0.1
木材	木材	乾燥	0.4
皮革	橡胶	乾燥	0.61
汽车胎	沥青	乾燥	0.72

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1996：牛油面着地→面包力学图

来自国外的都市传闻，面包总是以涂有牛油的一面着地 （Bread always falls on the buttered side down），最初来自诗人的讽刺，透露对日常中「微不幸」的无奈。英国物理学家罗伯特．马修斯（Robert Matthews）是墨菲定律（Murphy's law）的研究学者，他非常严肃地面对这个问题，决定用科学方法去验证这个都市传闻，设计面包坠地的力学图（见图六），数学计算牛油面向地板的概率，写成论文〈掉落的吐司、墨菲法则和基本常数〉发表于《欧洲物理学期刊》，勇夺一九九六年的「搞笑诺贝尔奖」。

经过几页纸的数学计算，罗伯特的结论只是，「从早餐桌上掉下的吐司会以牛油的一面着地，是宇宙中必然会发生的。」但因为数学模型的限制，无法完全考虑现实的各种影响因素，罗伯特其后以实验方式，统计一千次面包掉在地板的结果，在9,821次有效掉落结果，其中6,101次以牛油一面落地，概率达到62%，超出常理50%的预测结果，某程度支持了这项都市传闻。

（图六）

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补充资料

墨菲定律（Murphy's law）

墨菲定律指「有可能出错的事总会出错」，大多时候会从心理学的角度去解释，但其实亦可以数学式表达：

设出错的概率为E、重复做一件事的次数为n，那么不出错的概率可以1 - E（全部可能－出错的可能＝不出错的可能）表示，而连续n次不出错的概率为（1 - E）^n。

试考虑一下，不能连续n次不出错的概率（即在n次中，至少出错1次的概率）便可得出数学式：

P（possibility）= 1 -（1 - E）^n

因为0<1 - E<1，所以当n愈大（重复次数愈多），（1 - E）^n愈接近0，即P愈接近1（「1」在概率上代表必然发生）。

结论是，只要重复做一件事情的次数足够多，便一定会发生错误；也许各位同学下次做错题目，可以用墨菲定律跟老师解释是因为功课太多了。

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文：卢家彦、星岛中学学生报《S-FILE》编辑部；图：网上图片