E起計量打基礎：今天您要到哪裡去─與您生活有關的七種量測 No. 7

E起計量打基礎：今天您要到哪裡去─與您生活有關的七種量測 No. 7_20170605
By 周隆亨 (Henry Chow) 摘譯

今天您要到哪裡去─與您生活有關的七種量測1

在初夏的五月天，各位可知道我們有五月四日的「國際消防員日(International Firefighters’ Day)」和五月二十三日的「世界烏龜日(World Turtle Day)」，但我們更應知道這一個國際性節日─「世界計量日(World Metrology Day)」，於每年的五月二十日慶祝在1875年同一天國際性的「米制公約(Treaty of the Meter) 的簽署，因為量測很重要，它與大家的生活息息相關。如果沒有精確的量測，我們就沒法確信在雜貨店買到合理價錢的東西、服用正確劑量的藥品、或是跨過一座建築牢靠且安全的橋樑。

計量(Metrology)是有關量測的科學，涉及了我們生活周遭的許多層面，不管我們是知道或不知道。以交通運輸為例，若沒有足夠精準量測的能力，我們將無法如我們所想要的既安全且有效率地到達要去的地方。以下就讓我們實際了解我們每天不論是工作或旅遊，量測如何協助我們準確地從甲地到乙地。

1. 在加油站
   美國標準暨技術研究院(NIST)掌管法定計量的度量衡辦公室的計量學家協助我們確認在加油站加油應該付出的汽油費用。計量學家不會到加油站現場對加油槍進行檢測，但是NIST會訓練來自全國各州政府的度量衡檢定官以正確適當地施行加油槍的檢校。這不僅意謂著汽油加油產業賣方之間的公正競爭，也為保護消費者起見提供了一個較公平的市場。
2. 在道路上
   我們打算去到我們要去的地方，而且是希望以儘可能地既安全又便宜的方式到達。各大汽車製造商都知道這道理，也是為甚麼他們總是持續創新研發，嘗試製造出更輕更快且汽油燃燒更有效率的汽車。為了測試採用尚未足夠了解材料(諸如鋁、鎂或碳纖維合成材料)所設計的一部新車，不同汽車組件所需模具總是得被測試和重新製作超過一百多次。每個模具通常價格都要約一百萬(美)元，因為模具因素又可能延遲汽車的生產達數週到幾個月。但是，若能借助NIST的一些計量知識與技術的先期應用與研究，就可獲致對這些新材料的更多了解、降低製造成本與生產期的延遲，以及讓消費者(車主)也能獲得更多的節省和好處。
3. 在道路上(進一步說明)
   然而未來的車不只是需要更輕更快且汽油燃燒更有效率，它需要更智能化。目前許多車已直接連上互聯網，其目的在協助導航或將數據傳回汽車製造商供作診斷偵錯之用。另外我們也可將智慧手機與車子相連，當我們車子開在路上，仍可做到並強化與他人的聯絡、導航或同時在聽音樂。這裡所提到未來車該有的功能只是讓它成為一部更具智能且更能物物相連車子的一個起步基石。然而當與他物相連的同時所帶來的好處，也隨之帶出了一些脆弱處。為了提早設想並克服在這整個生態系(被稱做物聯網，Internet of Things, IoT)內彼此相連的裝置所引來的潛在安全威脅，NIST研究人員目前也正從事IoT相連裝置的安全機制的研發制定工作。
4. 航空交通
   飛機的製造總得歷經無數次的測試俾確保它們確實能夠飛上天空。有趣的是看看在飛機的機翼折斷之前能夠彎曲到怎樣的程度，事實上所有這種與機翼耐受度相關的試驗應該都是相當昂貴的。這也是為甚麼NIST研究人員協助飛機製造商改善他們的各種飛機測試模擬。透過多種的測試模擬，工程師得以在做出原型並正式上陣進行實體測試之前，可以針對飛機的材料行為獲取更多及更好的了解。材料計量在我們抵達飛機場前其實已為乘客做出了雙重保證，即維護飛機在空中的飛行安全，以及購買飛機票省下更多的錢。
5. 計量與虛擬人體測試
   NIST是非常擅長量測靜態力量的一個專業研究單位，諸如研究飛機機翼能夠耐受多少量的應力，或是橋樑纜索可以承受多少量的張力。另一方面，處理動態力的量測(尤其是在汽車的碰撞，或是美式足球員頭部的相撞情況)一直以來都是相當棘手的。但是這情況已有所改善。NIST有一個研究團隊就正在開發相關的裝置，以協助製造商及其他的測試實驗室能夠更了解這些衝擊力量對他們的產品所造成的影響程度。例如，在協助汽車製造商進行車體安全性測試的時候，可以針對施加於碰撞測試假人(crash test dummy)身上的各種衝擊力量執行更為精確的量測。這樣的量測結果提供給我們日常生活上更為安全的產品，包括了由汽車到自行車與機車的安全防護頭盔。
6. 衝擊試驗
   建造一座安全的橋樑以及其他的公共基礎建設，我們都必須能夠了解並掌握所使用建材的實際可承受的斷裂力量。夏比衝擊試驗(Charpy impact test)是業界最廣為採用的一項試驗，可以測試出金屬材料的強度力量。建商或建材製造商可以從NIST購買一些有如小金屬棒的標準夏比V型凹槽驗證試樣(Charpy V-Notch Verification Specimens)。於試樣的衝擊試驗中，製造商可以透過一個大型擺錘來撞擊試樣並記錄下擊斷它們所需用到的能量。製造商若能由他們所執行的試驗中取得一些特定的材料數據結果，除了可以確定他們的試驗是妥當的之外，也確認了他們的試驗設備可以測得正確的衝擊試驗數值。NIST另外也銷售許多其他種類的標準參考物質(Standard Reference Materials, SRM)，以協助產業界測試他們各自產品的品質，就像是生產水泥原料也有其特定的SRM來測試水泥的品質。
7. 準時的行程
   NIST 擁有超精準的原子鐘，事實上如果我們將這鐘調回137億年前的宇宙形成的創世大爆炸之那一刻，然後讓這鐘再走到今天，它所顯現現在的時間幾乎仍是分秒不差。NIST新一代的原子鐘 NIST F-2，乃美國法定標準時間所依據的時間標準，它在3億年內都不會增減到一秒的時間。至於我們現在大家手帶花樣繁多又便宜的石英手錶每個月則會增減約一秒，但為甚麼我們需要將時間量測到這樣精準的地步，真的有必要嗎? 事實上，若沒有如此吹毛求疵地來定義時間的話，我們今天就無法這麼方便且容易地來使用全球定位系統(global positioning systems, GPS)。準確的導航必須要搭配精確的計時同步性，要準確到每天小於十億分之一秒誤差的地步。數據顯示一奈(十億分之一)秒的誤差會造成三十公分距離的差別，所以若您以為時間只差了一些些沒幾秒鐘的時間，您可能錯過要去的地方，甚至哪裡也到不了!

Ref: 1) 7 Ways Measurements Help You Get Around – NIST
Taking Measure Blog | BY FRAN WEBBER ON MAY 19, 2017
https://www.nist.gov/blogs/taking-measure/7-ways-measurements-help-you-get-around