用蒸汽機(jī)把航天器送上太空需要燒多少水？| No.381
神箭發(fā)射
再探蒼穹
中國(guó)載人航天工程發(fā)射任務(wù)實(shí)現(xiàn)30戰(zhàn)30捷
祝賀中國(guó)航天！
Q1
如何證明由1到9這9個(gè)數(shù)字（數(shù)字不重復(fù)）組成的九位數(shù)，一定能夠被九整除？
by 匿名
答：首先，我們可以觀察10^n-1，經(jīng)過簡(jiǎn)單的減法運(yùn)算，我們就知道這樣的數(shù)每一位上都是9，我們通過除法就可以很容易地得知這個(gè)數(shù)除以9就等于一個(gè)每一位上都是1的數(shù)（比如10^3-1=999，999/9=111），也就是說對(duì)于任何一個(gè)10^n-1，它都可以被9整除。
接下來，我們繼續(xù)證明一個(gè)數(shù)如果所有位上的數(shù)字之和是9的倍數(shù)，那么這個(gè)數(shù)也是9的倍數(shù)：我們假設(shè)這個(gè)數(shù)有n位，從右到左每一位數(shù)分別為a0,a1……a（n-1），那么通過十進(jìn)制的知識(shí)，我們就知道這個(gè)數(shù)字的具體數(shù)值就是a0+(10^1)a1+……+(10^(n-1))a(n-1)=(a0+a1+……+a(n-1))+(10^1-1)a1+……+（10^a(n-1)-1）a(n-1)，我們可以很輕松地看到，后面的所有項(xiàng)都是10^n-1的形式，他們都能被9整除，而對(duì)于第一項(xiàng)，也就是所有數(shù)位上數(shù)字的和，由我們的條件可知，它也是9的倍數(shù)，自然這些項(xiàng)加起來的和也是9的倍數(shù)。
再回到這個(gè)問題，我們用1~9不重復(fù)地組合成9位數(shù)，那么這個(gè)數(shù)每個(gè)數(shù)位上數(shù)字的和自然就是1+2+……+9=45，也是9的倍數(shù)，按我們上面的證明，它自然也可以被9整除。
by ArtistET
Q.E.D.
Q2
為什么手機(jī)要插SIM卡才能打電話？
by 汪汪旺
答：
你有沒有想過，那些插入手機(jī)的小芯片是用來做什么的？它們被稱為SIM卡，是手機(jī)工作的關(guān)鍵。SIM 卡是用戶身份模塊（Subscriber Identity Module）的縮寫，它是一種智能卡，可以識(shí)別您是蜂窩網(wǎng)絡(luò)的用戶。它還可以存儲(chǔ)有關(guān)您的電話號(hào)碼、聯(lián)系人、信息等信息（你是不是很好奇為什么更換手機(jī)后信息和聯(lián)系人會(huì)同步過來呢？），從本質(zhì)上講，SIM 卡是讓您的手機(jī)在無(wú)線運(yùn)營(yíng)商網(wǎng)絡(luò)上訪問和運(yùn)行的工具。
SIM卡基于一種名為 GSM（全球移動(dòng)通信系統(tǒng)）的技術(shù)，它是世界上使用最廣泛的移動(dòng)電話標(biāo)準(zhǔn)。GSM 使用無(wú)線電波在手機(jī)和基站之間傳輸語(yǔ)音和數(shù)據(jù)信號(hào)。每部手機(jī)都有一個(gè)唯一的IMEI（國(guó)際移動(dòng)設(shè)備識(shí)別碼）號(hào)碼，用于識(shí)別設(shè)備；每張SIM卡都有一個(gè)唯一的IMSI（國(guó)際移動(dòng)用戶識(shí)別碼）號(hào)碼，用于識(shí)別用戶。
SIM卡有多種類型，如nano-SIM、micro-SIM和mini-SIM，但它們功能相同。當(dāng)您將SIM 卡插入手機(jī)時(shí)，它會(huì)與網(wǎng)絡(luò)通信并驗(yàn)證您的身份。然后，網(wǎng)絡(luò)會(huì)為您分配一個(gè)用于安全目的的臨時(shí)TMSI（臨時(shí)移動(dòng)用戶識(shí)別碼）號(hào)碼。網(wǎng)絡(luò)還會(huì)為您分配一個(gè)用于發(fā)送和接收信號(hào)的信道和頻率。
當(dāng)您撥打電話或發(fā)送短信時(shí)，您的手機(jī)會(huì)將語(yǔ)音或信息編碼成數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)，并通過分配的信道和頻率發(fā)送到最近的基站。
然后，基站將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)給網(wǎng)絡(luò)核心系統(tǒng)，核心系統(tǒng)再將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)給目的地電話或服務(wù)提供商。
當(dāng)您接到電話或短信時(shí)，就是上述過程的逆過程。
與其他識(shí)別用戶和設(shè)備的方法相比，SIM卡有許多優(yōu)勢(shì)：
●便攜、安全、用途廣泛且易于使用。
●可以在不同的手機(jī)或設(shè)備之間輕松交換SIM卡，而不會(huì)丟失數(shù)據(jù)或設(shè)置。
●可以通過更改網(wǎng)絡(luò)設(shè)置或購(gòu)買本地SIM卡在不同國(guó)家或地區(qū)使用它們。
不過，SIM卡也有一些局限性和挑戰(zhàn)，如：
●它們?nèi)菀资艿?strong>物理?yè)p壞或丟失，從而影響其功能或安全性。
●它們還容易被黑客攻擊或克隆，從而可能危及您的隱私或身份。
●它們可能與某些使用不同技術(shù)或標(biāo)準(zhǔn)的手機(jī)或網(wǎng)絡(luò)不兼容。
隨著技術(shù)的發(fā)展，SIM卡也在不斷演變。目前正在開發(fā)新型SIM卡，以滿足用戶和網(wǎng)絡(luò)不斷變化的需求。例如，eSIM（嵌入式SIM卡）是一種內(nèi)置芯片，可由運(yùn)營(yíng)商遠(yuǎn)程激活或停用，無(wú)需實(shí)際插入或取出。與傳統(tǒng)SIM卡相比，它們具有更高的靈活性、便利性和安全性。
無(wú)論您使用的是傳統(tǒng)SIM卡還是eSIM卡，它都是將您的手機(jī)與世界連接起來的科技和工程的奇跡，下次你和朋友電話的時(shí)候就可以告訴她這一張小小的卡就承載著你們的情感連接啦！
參考資料：
What Is A SIM Card & Why Do I Need One? Here’s The Truth!
Why Is My Phone Saying Insert SIM When the SIM Card Is Already Inserted?
12 Easy Fixes for When Your Phone Says There's No SIM Card
by 青春小花??
Q.E.D.
Q3
請(qǐng)問白煮蛋空的那一邊為什么老是在大的那頭？
by 肌肉娃
答：你有沒有想過，為什么有些煮雞蛋的底部是平的，而有些卻是圓的？這并不是因?yàn)榕腼兊姆椒ɑ螂u蛋本身的形狀。實(shí)際上，這是因?yàn)槟鸽u下蛋時(shí)在蛋內(nèi)形成了一個(gè)氣室。
氣室位于雞蛋的大端，蛋殼和蛋白之間。如果雞蛋受精，氣室會(huì)為發(fā)育中的小雞提供氧氣。它還能起到定時(shí)器的作用，因?yàn)楸M管有小孔連接外面，但呼吸占主要作用故氧氣只夠雛鳥從開始呼吸使用到孵化。
但這和煮雞蛋有什么關(guān)系呢？煮雞蛋時(shí)，氣泡內(nèi)的空氣受熱膨脹。這將蛋白從蛋殼中擠出，在雞蛋底部形成一個(gè)小的空隙。煮雞蛋的時(shí)間越長(zhǎng)，這個(gè)空間就越大。
不過，有一種方法可以防止或至少減少這種情況的發(fā)生。您可以在煮雞蛋之前，在蛋殼的大頭扎一個(gè)小孔。這樣可以讓空氣更快地排出，留下更小的空間和更圓的底部。
所以，下次在面前煮雞蛋時(shí)，可以試試這個(gè)小竅門，看看是否有什么不同。你就可以和驚訝地發(fā)現(xiàn)雞蛋的外觀和味道都會(huì)變得更好的朋友解釋這一切道理啦！
by 青春小花??
Q.E.D.
Q4
為什么放射性粒子在大量存在的情況下，呈指數(shù)衰變而不是線性衰變？
by 匿名
答：原子核能否發(fā)生衰變是由概率決定的，對(duì)于大量原子核來講這個(gè)概率與時(shí)間間隔內(nèi)發(fā)生衰變的原子核數(shù)目有關(guān)。
顯然初始時(shí)刻的原子核數(shù)目越多、時(shí)間間隔越長(zhǎng)，發(fā)生衰變的原子核數(shù)目就會(huì)越多。于是我們有原子核在t到t+dt時(shí)間間隔內(nèi)發(fā)生的衰變數(shù)-dN=λNdt，其中N是t時(shí)刻的原子核數(shù)，λ是一個(gè)比例系數(shù)，被稱為衰變常數(shù)，這里的負(fù)號(hào)是發(fā)生衰變使得原子核數(shù)減少的緣故。通過簡(jiǎn)單的求解我們可以得到原子核數(shù)隨時(shí)間的變化關(guān)系N(t)=N0e-λt,其中N0是初始時(shí)刻的原子核數(shù)，因此我們得到了大量原子核衰變是符合指數(shù)衰減律的。
其實(shí)不僅僅是大量放射性粒子數(shù)呈現(xiàn)指數(shù)衰減，自然界中很多現(xiàn)象都呈現(xiàn)指數(shù)變化的趨勢(shì)，比如理想條件下生物種群數(shù)目的變化也是符合指數(shù)增長(zhǎng)的形式。歸根到底，指數(shù)變化趨勢(shì)來源于某個(gè)物理量的變化率與其本身成正比，比如在原子核衰變中dN/dt∝N。需要注意的是，指數(shù)衰減律僅針對(duì)大量原子核才適用，對(duì)少數(shù)原子核的衰變行為只能給出概率描寫。
by Sid
Q.E.D.
Q5
為什么感冒發(fā)燒之后，吃咸味的東西會(huì)覺得是苦的，而且越咸越苦？
by 1214
答：
大家可能已經(jīng)注意到，當(dāng)我們感冒或發(fā)燒時(shí)，味覺會(huì)發(fā)生變化。平時(shí)喜歡吃的食物可能會(huì)顯得平淡、苦澀或有金屬味。這是因?yàn)槲覀兊奈独偈艿搅?strong>體內(nèi)炎癥和感染的影響。
味蕾是舌頭上的微小結(jié)構(gòu)，舌頭上的這些突起專門檢測(cè)五種主要味道——甜、酸、咸、苦和鮮味。它們向大腦發(fā)送信號(hào)，大腦將這些信號(hào)解讀為味道。但是當(dāng)我們生病時(shí)，我們的味蕾可能無(wú)法正常工作，可能主要有兩個(gè)原因：
●一個(gè)可能的原因是我們的鼻子被粘液或鼻塞堵住了。嗅覺與味覺密切相關(guān)。當(dāng)聞不到食物的味道時(shí)，自然也無(wú)法品嘗到食物的味道。這就是為什么鼻塞時(shí)食物會(huì)顯得平淡無(wú)味
●另一個(gè)可能的原因是，當(dāng)我們感冒、鼻竇感染或其他疾病時(shí)，身體會(huì)產(chǎn)生一種叫做腫瘤壞死因子-α（TNF-α）的蛋白質(zhì)。這種蛋白質(zhì)會(huì)引起炎癥和發(fā)燒，從而有助于抵抗感染。不過，它也可能影響味蕾，使其對(duì)苦味更加敏感。并且苦味受體的再生速度快于其他受體。因而，在一兩周內(nèi)，苦味會(huì)在舌頭上過度表現(xiàn)。
這意味著含有苦味化合物的食物，如咖啡、巧克力或西蘭花，吃起來可能比平時(shí)更苦。同時(shí)，含鹽的食物吃起來也會(huì)有苦味。這是由于高濃度的鹽分會(huì)刺激苦味受體，因此在恢復(fù)平衡之前，咸味食物的苦味會(huì)不成比例地增加，這讓咸度與我們感知到的苦味直接相關(guān)。
因此，當(dāng)我們生病時(shí)吃咸食，可能會(huì)體驗(yàn)到雙重苦味：來自鹽本身的苦味和來自味蕾敏感度增加的苦味。并且食物越咸，味道就越苦。
幸運(yùn)的是，這種影響通常是暫時(shí)和可逆的。一旦我們從疾病中恢復(fù)過來，味蕾就會(huì)恢復(fù)正常，就可以再次享用自己喜歡的食物啦。在這期間，我們可以嘗試一些應(yīng)對(duì)口味改變的小竅門：
●多喝水以保持水分和鼻腔通暢。
●進(jìn)食前用水或漱口水漱口。
●避免過咸、過苦或過辣的食物。
●選擇溫和、甜或酸的食物。
●在食物或飲料中加入檸檬汁、蜂蜜或糖，以掩蓋苦味。
●咀嚼無(wú)糖口香糖或糖果，刺激唾液分泌，清新口腔。
參考資料：
What Causes a Bitter Taste in the Mouth?
by 青春小花??
Q.E.D.
Q6
當(dāng)溫度超過人們?nèi)粘Ｉ钏芙佑|的范圍，例如零下80攝氏度或者1000攝氏度以上時(shí)，人類科技是如何去測(cè)量他們的？
by 青箏BUJ
答：這里簡(jiǎn)要介紹三種常見的溫度計(jì)：
熱電偶溫度計(jì)：利用的是塞貝克效應(yīng)，即如果導(dǎo)體的兩端存在溫度差，那么導(dǎo)體中將產(chǎn)生電動(dòng)勢(shì)
其中比例系數(shù)S(T)和材料以及溫度有關(guān)。如下圖所示，兩種不同材料連接在一起，連接的一端置于待溫度處，自由的兩個(gè)端點(diǎn)(A,B)保持溫度相同，由于兩根導(dǎo)體材料不同而溫度差相同，兩根導(dǎo)體上的電勢(shì)差也就不同，所以A,B兩點(diǎn)之間存在電勢(shì)差，在明確導(dǎo)體成分的情況下，A,B兩點(diǎn)之間的電勢(shì)差只與待測(cè)溫度與參考溫度之差決定。參考溫度通常是已知的，測(cè)量A,B兩點(diǎn)之間的電勢(shì)差就可以得到待測(cè)溫度了。
這種方法可以測(cè)量-200°C的低溫，甚至有些類型可以測(cè)量接近絕對(duì)零度的低溫。另一方面熱電偶可以測(cè)量高至2000°C甚至3000°C的高溫。
電阻溫度計(jì)：利用金屬電阻隨溫度變化的特性。金屬鉑、鎳、銅等電阻隨溫度的變化規(guī)律十分穩(wěn)定，并且被人們所掌握。因此只要測(cè)量某個(gè)溫度下特定金屬的電阻，就能確定溫度了。鎳和銅電阻溫度計(jì)由于鎳電阻隨溫度的非線性變化及銅易氧化，其測(cè)量上限不到300°C，基于鉑的螺線管電阻溫度計(jì)測(cè)量上限可達(dá)850°C，基于碳的電阻溫度計(jì)可測(cè)低至-273°C的溫度。
紅外溫度計(jì)：我們常見的非接觸式測(cè)溫槍就是這種類型。利用斯特藩-玻爾茲曼定律，物體的熱輻射和溫度有這樣的關(guān)系
其中是物體單位面積單位時(shí)間輻射出的能量，是發(fā)射率，描述物體發(fā)出輻射的能力與理想黑體的差別，是斯特藩-玻爾茲曼常量，是物體溫度。溫度計(jì)接收物體發(fā)出的輻射(主要是紅外線)，根據(jù)接收到輻射的量可以推斷出物體的溫度。這種方法可以測(cè)高達(dá)上千攝氏度的溫度。
by 利有攸往
Q.E.D.
Q7
用蒸汽機(jī)把航天器送上太空需要燒多少水？
by 小鑫
答：盡管蒸汽機(jī)在歷史上在許多領(lǐng)域（如火車、船只等）中有過重要的應(yīng)用，但是要用蒸汽機(jī)將航天器送入太空是非常不切實(shí)際的。首先，蒸汽機(jī)的效率遠(yuǎn)低于現(xiàn)代的火箭引擎。其次，蒸汽機(jī)需要大量的水作為工質(zhì)，這會(huì)增加航天器的重量，從而需要更多的能量來將其送入太空。最后，蒸汽機(jī)在沒有大氣的太空環(huán)境中可能無(wú)法正常工作。
有意思的是，現(xiàn)代火箭在將航天器送上太空的過程中確實(shí)會(huì)有“燒水”的過程喔！許多現(xiàn)代火箭使用液氫作為燃料和液氧作為氧化劑，這種組合在燃燒時(shí)的主要產(chǎn)物就是水蒸氣，其反應(yīng)過程不就變相地相當(dāng)于“燒水”嗎？
就在昨天神舟十七號(hào)成功將我國(guó)三位航天員送上“天宮”[1]。如果用以液氫-液氧為燃料的火箭實(shí)現(xiàn)與神州十七號(hào)所搭載的運(yùn)載火箭長(zhǎng)征二號(hào)F（CZ-2F）相同的近地運(yùn)載能力8500kg[2]，這需要“燒”多少水呢？
我們可以使用火箭方程（Tsiolkovsky rocket equation）[3]來進(jìn)行一個(gè)基本的估計(jì)。
火箭方程是：
其中，是火箭需要達(dá)到的速度變化（本例采用地球的第一宇宙速度，約為7900米/秒），是有效排氣速度（對(duì)于液氧和液氫火箭發(fā)動(dòng)機(jī)，約為4400米/秒[4]），是火箭的初始總質(zhì)量，是火箭燃燒完燃料后的質(zhì)量（也就是載荷質(zhì)量，即8500千克）。
將這個(gè)方程解出火箭的初始總質(zhì)量（包括燃料）：
在排除載荷質(zhì)量8500kg后，也就是說我們需要燒42688kg的液氧-液氫燃料。顯然這個(gè)過程將產(chǎn)生42688kg的水喔。
這是一個(gè)非?；镜墓烙?jì)，實(shí)際的燃料需求可能會(huì)更高，因?yàn)槲覀儧]有考慮到大氣阻力和重力損失，也沒有考慮到火箭發(fā)動(dòng)機(jī)的效率可能低于理論最大值。此外，火箭也需要一些額外的燃料來進(jìn)行機(jī)動(dòng)和糾偏。
參考資料：
神舟十七號(hào)載人飛船發(fā)射任務(wù)取得圓滿成功
長(zhǎng)征二號(hào)F（CZ-2F）
齊奧爾科夫斯基公式
Liquid rocket propellant
by 魚非我
Q.E.D.
Q8
校服的反光條，大街清潔工人衣服的反光條，一點(diǎn)點(diǎn)光就能反射，是什么材料或原理？不可能是角反射器吧？車牌的背景的反光也特別好，是相同的材料嗎？
by 匿名
答：大家在生活中不難發(fā)現(xiàn)，有些材料即使是在夜晚也非常顯眼，比如道路上的交通標(biāo)識(shí)牌、交警的反光背心、前方車輛的車牌、公路標(biāo)識(shí)牌等等，這都要?dú)w功于逆反射材料（也叫反光材料）。
所謂逆反射它是指反射光線從入射光線反方向返回的一種反射，簡(jiǎn)單來說，無(wú)論你在哪個(gè)方向入射光，光都會(huì)回到你身邊一樣。
常見的逆反射材料是一種在材料表面植入高折射率的玻璃微珠結(jié)構(gòu)或者微棱鏡結(jié)構(gòu)的復(fù)合材料，不同的結(jié)構(gòu)都能通過多次反射和折射來達(dá)到逆反射的效果。其中微棱鏡結(jié)構(gòu)的逆反射原理與角反射器原理很類似，它們都是利用三個(gè)相互垂直的反射面來實(shí)現(xiàn)逆反射，只不過二者的尺寸相差甚遠(yuǎn)。
根據(jù)不同需求，反光材料又分為反光膜和反光布兩類，前者常用于指示牌、標(biāo)識(shí)牌等，比如車牌，后者常用于服裝、箱包等生活用品上。
by Sid
Q.E.D.
Q9
為什么靠近岸邊的海水會(huì)有很多泡沫？
by kai
答：
在海邊漫步時(shí)，您可能會(huì)注意到，靠近海岸的海水上面有白色的泡沫。但在更遠(yuǎn)的地方，海面清澈見底，沒有泡沫。是什么原因?qū)е聹\灘出現(xiàn)這種起泡現(xiàn)象呢？
答案與波浪擾動(dòng)海水的持續(xù)運(yùn)動(dòng)有關(guān)。當(dāng)波浪在海岸附近堆積并破碎時(shí)，湍流會(huì)將空氣攪入水中，從而產(chǎn)生氣泡，這就像是給海水洗了個(gè)泡泡??！更多的白色泡沫意味著更多的水?dāng)_動(dòng)和空氣融入。由于與沙質(zhì)底部的摩擦，海浪在淺水區(qū)開始感受到摩擦阻力。因此，所有的波浪能量都被集中到了一個(gè)較小的區(qū)域，從而導(dǎo)致更大的波浪更多的泡沫出現(xiàn)。
與此同時(shí)，重要的不僅僅是海浪。海水的成分也會(huì)對(duì)泡沫產(chǎn)生有影響。死亡的海藻和以及污染產(chǎn)生的被稱為表面活性劑的有機(jī)分子積聚在泡沫中。它們就像肥皂洗滌劑，能降低水的表面張力，幫助形成泡沫。
海洋泡沫也會(huì)受到人類活動(dòng)的影響，如污染或漏油。洗滌劑、化肥、污水和石油產(chǎn)品中也可能含有表面活性劑，這些表面活性劑會(huì)促進(jìn)海洋泡沫的形成。比如，從船上或海岸站泵入海中的表面活性劑物質(zhì)會(huì)在沿岸水域形成厚厚的泡沫毯，這就是有時(shí)在岸邊有厚厚泡泡沫的原因，表面活性劑大大延長(zhǎng)了泡沫的存在時(shí)間。不過，這些物質(zhì)也會(huì)對(duì)海洋生態(tài)系統(tǒng)產(chǎn)生負(fù)面影響，如降低氧氣含量、改變 pH 值或傷害動(dòng)植物等。
海洋泡沫不僅是海洋化學(xué)和生物過程的直觀指標(biāo)，也是科學(xué)家獲取信息的潛在來源。通過分析海洋泡沫的成分和特性，研究人員可以更多地了解海洋中有機(jī)物質(zhì)的來源和歸宿，以及海洋和大氣之間的相互作用。
海灘泡沫是一種既美麗又引人入勝的自然現(xiàn)象,泡沫雖然會(huì)消逝在海岸邊,宛如一剎那的花火般脆弱,下次你在和朋友在海邊玩的時(shí)候就可以告訴她這海灘美景的背后啦！
by 青春小花??
Q.E.D.
#本期答題團(tuán)隊(duì)
ArtistET、青春小花??、Sid、利有攸往、魚非我
