誰(shuí)懂??！
停電時(shí)候被一大盆水澆灌的馬桶
總是那么令人放心


Q1

為什么把滿滿一盆水倒進(jìn)馬桶里，馬桶里的水不會(huì)越來(lái)越多，反而變得越來(lái)越少？

by 匿名

答：

這與馬桶的內(nèi)部結(jié)構(gòu)有關(guān)，我們以地面為零勢(shì)能面，忽略阻力等影響因素來(lái)簡(jiǎn)單談一談這個(gè)過(guò)程。最開(kāi)始的時(shí)候（見(jiàn)圖a）由于馬桶內(nèi)部水上方的壓強(qiáng)和虹吸管道里水面上方的壓強(qiáng)都等于大氣壓，此時(shí)由于水流處于靜止?fàn)顟B(tài)，且,，根據(jù)理想流體的伯努利方程：

可知，在初始狀態(tài)下A處和B處的水面高度相同。當(dāng)我們往馬桶里迅速倒入一盆水后（見(jiàn)圖b），A處水的高度大于B處，此時(shí)A處的水不會(huì)再繼續(xù)處于靜止?fàn)顟B(tài)，它會(huì)因?yàn)橹亓?shì)能存在一個(gè)速度。根據(jù)連續(xù)性方程：

B處的水也會(huì)開(kāi)始流動(dòng)，于是B處的水面會(huì)越來(lái)越高直到越過(guò)虹吸管中的最高點(diǎn)C，隨后充滿整個(gè)虹吸管道，直到A處液面高度略小于C（見(jiàn)圖c），這時(shí)虹吸現(xiàn)象出現(xiàn)會(huì)導(dǎo)致A處液面繼續(xù)下降。我們假設(shè)D口處壓強(qiáng)為，且水的流速處處相等，在C處管道做一個(gè)橫截面，其左右兩邊的壓強(qiáng)分別為和，根據(jù)伯努利方程可知

由于，有：

此時(shí)水流會(huì)受到一個(gè)向左的壓力從A經(jīng)過(guò)C流出D口，產(chǎn)生虹吸現(xiàn)象，直到A處的水位達(dá)到一個(gè)合適的位置時(shí)，空氣會(huì)漸漸進(jìn)入虹吸管內(nèi)，虹吸現(xiàn)象消失，馬桶回到初始狀態(tài)，完成了整個(gè)沖水過(guò)程。

by Sid

Q.E.D.

Q2

發(fā)現(xiàn)磁鐵可以透過(guò)幾乎生活中的所有物品吸住另外一個(gè)磁鐵，有什么物質(zhì)可以屏蔽磁場(chǎng)嗎？

by 匿名

答：

在我們的生活中能感受到，電場(chǎng)的屏蔽相對(duì)容易，根據(jù)高斯定理，電場(chǎng)不能穿透導(dǎo)體，因此生活中不過(guò)分大的電場(chǎng)都能夠被屏蔽，這來(lái)源于導(dǎo)體擁有能夠自由移動(dòng)的電荷，其在電場(chǎng)下的定向移動(dòng)抵消了外電場(chǎng)。

盡管磁場(chǎng)經(jīng)常被認(rèn)為是與電場(chǎng)“對(duì)偶”的，但是目前為止我們并沒(méi)有發(fā)現(xiàn)能夠單獨(dú)存在的“磁荷”，與電荷不同，磁極總是成對(duì)出現(xiàn)，標(biāo)定磁場(chǎng)的磁力線必須從一個(gè)磁極出發(fā)鏈接另一個(gè)荷相反的磁極，因此我們?cè)诶碚撋蠜](méi)有辦法實(shí)現(xiàn)和屏蔽電場(chǎng)一樣效果的屏蔽磁場(chǎng)。

從應(yīng)用出發(fā)，我們經(jīng)常要求“消除”某一個(gè)區(qū)域的磁場(chǎng)，這需要重新安排磁場(chǎng)的分布。一般的方法是使用一些有巨大磁導(dǎo)率的材料，包裹住所需消除磁場(chǎng)的區(qū)域。粗略地講，此時(shí)磁場(chǎng)會(huì)沿著磁導(dǎo)率高的外殼，繞開(kāi)中心被保護(hù)的區(qū)域。另一種更精細(xì)的方法是"中和"磁場(chǎng)，設(shè)法在某一個(gè)區(qū)域產(chǎn)生與外磁場(chǎng)等大小的相反的另一個(gè)磁場(chǎng)，二者疊加為零。從而在選定的空間內(nèi)消除外來(lái)的磁場(chǎng)。

此外，我們知道超導(dǎo)體是具有完全抗磁性的，因此，我們也可以利用超導(dǎo)球殼之類的裝置來(lái)制造磁屏蔽。但是由于目前的超導(dǎo)體都需要在零下200多度的低溫才能實(shí)現(xiàn)超導(dǎo)，因此，超導(dǎo)磁屏蔽目前還很難應(yīng)用到我們的生活中。

by 單身男青年

Q.E.D.

Q3

你好！請(qǐng)問(wèn)高速行駛的火車(chē)窗戶旁的紙，會(huì)飛回來(lái)還是飛出去呢？

by 逯佩庚

答：

根據(jù)伯努利定理，流體流速大的地方壓強(qiáng)小，那么火車(chē)外的氣體高速流動(dòng)，壓強(qiáng)小于遠(yuǎn)離車(chē)體的位置，因此紙片會(huì)飛回車(chē)附近。

需要注意的是，伯努利方程本身使能量守恒定律在流體中的應(yīng)用，是有伽利略不變性的，但是在演算中需要滿足定常流動(dòng)的條件，如果以地面為參考系，車(chē)在運(yùn)動(dòng)，其位置時(shí)刻都是變化的，整個(gè)流動(dòng)是非定常的，所以不能簡(jiǎn)單變換去地面參考系討論這個(gè)問(wèn)題。實(shí)際生活中這個(gè)問(wèn)題更加復(fù)雜，空氣的流動(dòng)可能產(chǎn)生大量渦旋，在這種情況下，伯努利方程失效，可能實(shí)際情況不同。不過(guò)以筆者的生活經(jīng)驗(yàn)，在多數(shù)的情況下，紙片還是會(huì)飛向車(chē)的方向的。

by 單身男青年

Q.E.D.

Q4

絕對(duì)零度是怎么被計(jì)算出來(lái)的？為什么沒(méi)有比它更低的溫度了？

by 匿名

答：

目前1K被定義為絕對(duì)0度和純水三相點(diǎn)溫差的1/273.16。水的三相點(diǎn)的溫度正好是0.01℃，所以0K就是-273.15℃。根據(jù)理想氣體表現(xiàn)出如下關(guān)系：PV=nR(T'-b),其中b是p-T'圖像延長(zhǎng)線和橫軸的交點(diǎn)，后來(lái)開(kāi)爾文定義了絕對(duì)溫度T=T'-b，定義新的溫標(biāo)T=0就是絕對(duì)零度。

因?yàn)?strong>氣體的壓強(qiáng)來(lái)自分子的熱運(yùn)動(dòng)，所以壓強(qiáng)等于0時(shí)候的溫度就是絕對(duì)零度，壓強(qiáng)不可能為負(fù)，所以就不會(huì)有比絕對(duì)零度更低的溫度。

前人通過(guò)大量的工作測(cè)出了R=8.3144598 J/mol/℃。所以要測(cè)b其實(shí)很簡(jiǎn)單，我們?nèi)?mol氣體，在1個(gè)大氣壓下，0攝氏度（冰水混合物溫度）的條件下，我們也可以測(cè)量得到理想氣體的體積是22.414 L。那么b（絕對(duì)0度在攝氏溫標(biāo)下的值）就可以計(jì)算出來(lái)了:b=-pVm/R=-273.15℃。

另外一種表述為：一定質(zhì)量的氣體，在保持壓強(qiáng)不變的情況下，溫度每升高（或降低）1℃，增加（或減?。┑捏w積等于它在0℃時(shí)體積的1／273。照此推算，當(dāng)溫度降低至-273.15℃是物質(zhì)的最低溫度，物質(zhì)世界里再?zèng)]有比它更低的溫度了。

參考資料：

1. 王遠(yuǎn),李海東,陳金燦.能斯特公式和零點(diǎn)熱[J/OL].物理與工程:1-3[2023-11-21].

2. 汪志誠(chéng)《熱力學(xué)統(tǒng)計(jì)物理》、梁希俠《統(tǒng)計(jì)物理學(xué)》、劉玉鑫《熱學(xué)》

by 藍(lán)多多

Q.E.D.

Q5

衣服為什么會(huì)起毛球？

by 快樂(lè)米小夏

答：

衣服起球會(huì)讓衣服看起來(lái)質(zhì)感變差，上身顯得有點(diǎn)邋遢，這對(duì)所有愛(ài)美的小仙女來(lái)說(shuō)，實(shí)在無(wú)法忍受！

讓我們先一起看看衣物起毛球的過(guò)程。如下圖所示，織物原樣表面有毛羽；第一階段是起毛，織物表面的纖維因不斷經(jīng)受摩擦從織物中抽出產(chǎn)生毛茸；第二階段毛羽和纖維糾纏，并加劇纖維的抽拔；第三階段成團(tuán)，纖維糾纏越來(lái)越緊，最后形成小球粒；第四階段成球，連接球粒的纖維斷裂成抽拔，這就是我們常見(jiàn)的衣物上的毛球；最后階段脫落，處理后，毛球粒會(huì)脫落。

影響起球的主要因素有下面幾個(gè)：

纖維強(qiáng)度：纖維強(qiáng)度越高，連接毛球的能力越強(qiáng)，毛球越不易脫落，織物表面的毛球越多。

纖維長(zhǎng)度：長(zhǎng)纖維在紗線中受到的摩擦阻力比短纖維大，不易從紗線中被抽出，短纖維比長(zhǎng)纖維更易起球。

纖維細(xì)短：細(xì)纖維比粗纖維更容易起球，纖維越粗其剛度越大，纖維末端不易彎曲，進(jìn)而糾纏成球。

纖維卷曲度：纖維的波形越多，摩擦?xí)r纖維越容易松動(dòng)滑移，越容易起球。

除此之外還跟紗線捻度、織物結(jié)構(gòu)、織物表面平整性等因素相關(guān)。

可以通過(guò)如下方法改善這些問(wèn)題：洗滌時(shí)將衣服翻過(guò)來(lái)，使用中性洗滌劑，適宜水溫；減少摩擦，搭配的衣服盡量選擇舒適柔軟的細(xì)纖維面料；使用修剪器、滾筒毛氈，膠帶，或刮眉刀去除毛球（刮眉刀一定要輕柔，只刮浮毛，避免損害衣物哦）。

by Serendipity

Q.E.D.

Q6

為什么A4紙撕開(kāi)會(huì)毛邊，而不是剪出來(lái)的整齊呢？

by 快樂(lè)米小夏

答：

作為一個(gè)好奇寶寶，肯定遭遇過(guò)為啥面巾紙豎著撕比橫著撕更順滑，用剪刀剪紙比徒手撕紙，紙張的邊緣更加整潔。那么找到你手邊的放大鏡或者顯微鏡，讓我們仔細(xì)觀察一下吧。

在放大鏡下，紙的表面并不光滑，紙的纖維交錯(cuò)呈現(xiàn)出紋理。通過(guò)用手撫摸也可以感受紙張的質(zhì)地；還可以看到紙的表面有一些微小的凸起和凹陷，這是因?yàn)榧埖睦w維束和膠質(zhì)在制作過(guò)程中產(chǎn)生的；當(dāng)紙被撕開(kāi)后，可以看到紙的邊緣出現(xiàn)了一些毛邊；這些毛邊是纖維交錯(cuò)的地方，撕開(kāi)后的紙邊緣有一些細(xì)小的纖維斷頭，這是因?yàn)樗毫训倪^(guò)程中纖維束被拉斷造成的。

而不同方向下紙張撕裂的程度不同要?dú)w結(jié)于紙張的纖維方向。

纖維方向是指紙張中纖維排列的傾向性。它是在造紙過(guò)程中恒定排渣后的漿液經(jīng)篩網(wǎng)振蕩、傳輸、干燥等過(guò)程自然形成統(tǒng)一的纖維排列方向，這便使紙張具有了方向特性，紙張的這種特性能夠影響包括力學(xué)性質(zhì)在內(nèi)的許多特性。

拿一張面巾紙，從圖示兩個(gè)垂直的方向撕開(kāi)，會(huì)發(fā)現(xiàn)用的力量大小和撕開(kāi)后的邊緣形狀都大不相同，這是因?yàn)榱Φ姆较蚺c纖維方向不同造成的。紙張?jiān)谄叫欣w維的方向拉伸強(qiáng)度要更大一些。當(dāng)力的方向與纖維方向垂直時(shí)，力量作用到纖維間隙，撕開(kāi)是將平行的纖維撕開(kāi)，用力很小，而且因?yàn)槔w維平行，撕開(kāi)后的邊緣相對(duì)更加整齊、平直。當(dāng)力的方向與纖維方向平行時(shí)，力量均勻作用到平行的許多纖維上，撕開(kāi)是使平行的纖維斷裂，用力較大，而且因?yàn)椴煌w維斷裂位置不均勻，造成撕開(kāi)后的邊緣雜亂不平整。

而用剪刀剪紙，紙張撕裂的界面是一條直線，所以它的剪切面是整齊，受力均勻的。

by 藍(lán)多多

Q.E.D.

Q7

為什么用水杯倒水的時(shí)候，會(huì)有一部分水沿著杯壁流？

by 匿名

答：

在日常生活中，當(dāng)我們緩慢地將水從水杯里倒出來(lái)時(shí)，會(huì)發(fā)現(xiàn)一部分水容易順著杯壁流下，像這樣倒出的流體附著在容器壁上的現(xiàn)象被稱為"茶壺效應(yīng)"。雖然這個(gè)現(xiàn)象在日常生活中非常常見(jiàn)，但想要準(zhǔn)確、定量地描述這個(gè)現(xiàn)象還是有一定困難的。如果把“茶壺效應(yīng)”的產(chǎn)生因素進(jìn)行分類的話，可以從容器和流體本身兩個(gè)方面來(lái)考慮。

對(duì)于容器來(lái)說(shuō)，壺嘴的曲率越大，水流所需的向心力也越大，水就越容易與壺嘴分離，這也就是為什么薄而銳利的壺嘴更有利于倒水。此外，材料的潤(rùn)濕性（即液體在固體表面鋪展的能力或傾向性）也有一定的影響，一般來(lái)說(shuō)親水材料比疏水材料更容易出現(xiàn)“茶壺效應(yīng)”，這是由于親水材料帶有極性集團(tuán)分子，容易與水形成氫鍵從而吸引水分子，使得水更容易沿著杯壁流下。

對(duì)于流體本身而言，流速和粘度是兩個(gè)主要的因素。簡(jiǎn)單來(lái)說(shuō)，流體流速越低，粘度越大，此時(shí)粘滯力可能大于慣性力，使得液體更易于沿著杯壁流下。同樣的，如果流體本身的粘度就大的話（你可以想象用茶壺倒粥），那么“茶壺效應(yīng)”就會(huì)更加明顯。當(dāng)然倒水的時(shí)候水流兩側(cè)的氣壓的變化也會(huì)促進(jìn)“茶壺效應(yīng)”的產(chǎn)生，但它的影響效果非常微弱，這里就不做過(guò)多介紹了。

總結(jié)一下，如果你想要優(yōu)雅地倒水，那么你最好用一個(gè)擁有薄而銳利壺口的茶壺，它最好是用疏水材料做的，然后快速倒水（不是粥或者其他粘稠的東西），從而最大避免水沿著杯壁流下來(lái)。

參考資料：

1. 該如何解釋茶壺效應(yīng)？

2. 如何防止倒水時(shí)水流沿容器外表面灑在桌子上？

3. Duez, Cyril, et al. "Wetting controls separation of inertial flows from solid surfaces." Physical review letters 104.8 (2010): 084503.

by Sid

Q.E.D.

Q8

為什么零勢(shì)能面可以任意選取呢？能量是客觀存在的還是像運(yùn)動(dòng)一樣有一定主觀性呢（表述可能不太嚴(yán)謹(jǐn)）?

by WT.l'hiver

答：

我們通常所說(shuō)的勢(shì)能，指的是僅由位置決定的能量。勢(shì)能的梯度，而非勢(shì)能本身的大小才是重要的，而無(wú)論選擇何處勢(shì)能是零的點(diǎn)都不會(huì)影響勢(shì)能的梯度，因此我們可以任意選擇它以方便計(jì)算。> 在大部分的情況里，我們都會(huì)把不能夠再被“提取”出能量的勢(shì)能最低值稱為勢(shì)能零點(diǎn)，比如在彈簧里將彈簧沒(méi)有對(duì)外作用的力的位置作為勢(shì)能零點(diǎn)，或者是選取一個(gè)方便的位置，比如氫原子中，電子距離原子核無(wú)限遠(yuǎn)時(shí)，勢(shì)能為零。

盡管這里討論的勢(shì)能是一個(gè)可以自由加減常數(shù)的能量，但能量的大小是否是真實(shí)客觀的，現(xiàn)在還是一個(gè)待討論的問(wèn)題。比如令人困惑的零點(diǎn)能問(wèn)題，它使我們相信由于不確定性原理，即使在“什么也沒(méi)有的”真空狀態(tài)也有一個(gè)最低的能量狀態(tài)，零點(diǎn)能的存在被大多數(shù)物理學(xué)家接受，但它的大小和性質(zhì)還很不確定，也有像施溫格一樣的學(xué)者頑固地拒絕這一概念。

by 單身男青年

Q.E.D.

Q9

冬天為什么總是刮風(fēng)呢，還是非常大的風(fēng)？

by 鐵三

答：

風(fēng)是空氣從高氣壓地區(qū)向低氣壓地區(qū)的流動(dòng)。兩個(gè)區(qū)域之間的氣壓差稱為氣壓梯度。氣壓梯度越大，風(fēng)力越強(qiáng)。冬季的氣壓梯度通常高于其他季節(jié)，因?yàn)槔錃鈭F(tuán)和暖氣團(tuán)之間的溫差較大。冷空氣的密度比暖空氣大，因此對(duì)地表的壓力更大。當(dāng)冷空氣遇到暖空氣時(shí)，會(huì)將暖空氣推高，形成低壓區(qū)。然后，冷空氣涌入填補(bǔ)空隙，形成風(fēng)。

影響氣團(tuán)之間溫度和壓力差異的一個(gè)因素是噴射氣流，它是大氣層上層快速移動(dòng)的氣流。噴射氣流受地球自轉(zhuǎn)以及赤道和兩極之間熱量差異的影響。在冬季，噴射氣流向南移動(dòng)并變得更強(qiáng)，因?yàn)闊崃繉?duì)比更大。噴射流還能引導(dǎo)天氣系統(tǒng)，如冷鋒和風(fēng)暴穿越陸地。這些系統(tǒng)會(huì)導(dǎo)致氣壓和風(fēng)速的突然變化，尤其是當(dāng)它們穿過(guò)山脈或其他障礙物時(shí)。

同時(shí)在筆者所在的中國(guó)北方為例，由于冬季非常干燥，濕度低。低濕度的空氣密度較高，當(dāng)這樣的空氣移動(dòng)時(shí)，風(fēng)感會(huì)更加明顯，形成迎面大風(fēng)。

因此，冬季總是多風(fēng)或風(fēng)很大的主要原因是，冬季氣團(tuán)之間的溫差較大，氣壓梯度較高，從而噴射氣流更強(qiáng)、變化更大，最后造成更多的天氣擾動(dòng)，形成我們感受到的刺骨風(fēng)感。

by 青春小花??

Q.E.D.

Q10

彩虹為什么是圓弧形，而不是水平線或者波浪形或其他形狀的？

by 匿名

答：

"哪里有彩虹告訴我，能不能把我的愿望還給我？為什么天這么安靜，原來(lái)彩虹居然是一個(gè)圓形~"

彩虹是一種引人入勝的自然現(xiàn)象，其美妙的常常讓人感到敬畏和好奇。彩虹之所以形成弧形，而不是水平線或波浪形，是因?yàn)楣獾奈锢韺W(xué)原理以及彩虹出現(xiàn)所需的特定條件。

彩虹的形成主要是由于折射和反射的作用，如上模式圖所示，陽(yáng)光進(jìn)入雨滴后會(huì)發(fā)生彎曲，這個(gè)過(guò)程被稱為折射。光的彎曲將陽(yáng)光分離成彩虹的各種顏色。在雨滴內(nèi)部，光線會(huì)發(fā)生反射，從雨滴背面反彈回來(lái)，然后從雨滴中射出。光線在射出的過(guò)程中又經(jīng)歷了一次折射，進(jìn)一步分離出不同的顏色。每種顏色的光線反射角度略有不同，相對(duì)于射入的陽(yáng)光，通常在40到42度之間。每顆雨滴內(nèi)的折射和反射的綜合效應(yīng)對(duì)彩虹的顏色和形狀的形成至關(guān)重要。

同時(shí)我們?cè)谏钪胁浑y發(fā)現(xiàn)彩虹的弧形是很平滑均勻的，這是因?yàn)椴屎绲男纬蛇^(guò)程是由大量的雨滴完成的，而每個(gè)雨滴只占整個(gè)圓的一小部分。雨滴懸浮在大氣中，每顆雨滴都以相同的偏差角度散射光線，從而形成一致的弧形。這種一致性就是彩虹形狀光滑、彎曲，而不是不規(guī)則或波浪形的原因。

可能有人想問(wèn)為什么彩虹是弧形而不是完整的圓形？其實(shí)與我們的想象相反，彩虹實(shí)際上是一個(gè)完整的圓。然而，我們通常只能看到弧形的上半部分，因?yàn)榈厍虻牡仄骄€擋住了下半部分。如果從飛機(jī)等高空觀察彩虹，就有可能看到彩虹是一個(gè)完整的圓，如下圖的空中飛行視角所示。我們通常看到的弧形是因?yàn)樘?yáng)和雨滴相對(duì)于觀察者的位置。只有那些以折射和反射所需的特定角度反射光線的雨滴才會(huì)形成彩虹，地面上的觀察者才能看到彩虹。

從本質(zhì)上講，彩虹優(yōu)雅的弧線形狀是陽(yáng)光與雨滴精確互動(dòng)的結(jié)果，其中涉及折射和反射的物理現(xiàn)象。光線散射的特定角度，再加上觀察者在地面上的視角，形成了彩虹特有的迷人弧線。下次你就可以和朋友分享這一有趣的小知識(shí)啦！

參考資料：

1. 為什么彩虹是弧形的?

2. 為什么彩虹呈現(xiàn)弧形或圓形?

3. 為什么彩虹總是呈現(xiàn)弧形或半圓形?

4. 如果彩虹是圓形，為什么我們只看到拱形?

by 青春小花??

Q.E.D.

#本期答題團(tuán)隊(duì)

單身男青年、Serendipity、青春小花??、藍(lán)多多、Sid