想必大家對(duì)那一招

從天而降的掌法一定印象深刻，

那么，問(wèn)題來(lái)了——

從天而降的牛排能被烤熟嗎？

這招“如來(lái)神?！蹦宋锢硭?dú)門絕技，

可是無(wú)價(jià)之寶，

我看與在座各位有緣，

給我一個(gè)贊，

便傳授給諸位吧！

1

Q：在撕紙時(shí)，不同方向撕的力度為什么不一樣？

by 匿名

這是因?yàn)榧垙垉?nèi)的纖維排列有一定的取向?？梢园鸭垙埾胂蟪扇∠蛳嗤睦w維被粘在一起，纖維比粘合劑更難被扯斷，用力大的一邊相當(dāng)于是將纖維扯斷，而用力小的一邊，只是將纖維分開，因此撕紙時(shí)，垂直于纖維方向比平行于纖維方向更難撕開。

簡(jiǎn)單介紹一下造紙的過(guò)程：制成紙的第一步，是紙漿被一個(gè)叫做流漿箱的裝置噴出，纖維被噴出時(shí)方向保持一致；第二步，液體紙漿到了成形網(wǎng)上，為了加快濾水的速度，網(wǎng)子左右抖動(dòng)，纖維交織得更好，但方向大部分還是一致排列的；然后經(jīng)過(guò)壓榨，烘干等步驟，紙張就做好了。

這樣使得紙張纖維有一定的取向，這種排列特別像棒狀液晶分子的排列，可以說(shuō)纖維的排列具有“各向異性”，這種紙?jiān)阡δ蛘呓畷r(shí)，不同方向液體擴(kuò)散的速度不同，向纖維延伸的方向擴(kuò)散更快；需要指出的是，并不是所有的紙張都是這樣，像宣紙內(nèi)的各纖維取向隨機(jī)，哪邊撕都一樣，可以說(shuō)具有“各向同性”，滴在其上的墨點(diǎn)擴(kuò)散成一個(gè)圓形（有條件的讀者可以自己試試看?。Ｈ绻綍r(shí)有注意觀察的話，有一些布也是一邊容易撕開，這是因?yàn)闄C(jī)織布具有經(jīng)緯線，經(jīng)線更結(jié)實(shí)，所以裂口與經(jīng)線平行時(shí)更容易撕開，這也可以說(shuō)是一種“各向異性”。

By?二十三 & Ling

2

Q：為什么看3D電影要用3D眼鏡，3D眼鏡利用的是什么原理？

by 匿名

人眼看東西能有立體感是因?yàn)閮芍谎劬Φ奈恢貌煌?，看東西會(huì)有兩個(gè)不同的視角。兩個(gè)不同視角的內(nèi)容經(jīng)過(guò)大腦的“腦補(bǔ)”，就產(chǎn)生了立體感。而現(xiàn)在的3D電影拍攝時(shí)就模仿了人眼，有兩臺(tái)位置不同的攝像機(jī)同時(shí)拍攝。放映的時(shí)候同時(shí)將兩臺(tái)攝像機(jī)拍攝的畫面播放，如果不戴3D眼鏡直接觀看，會(huì)發(fā)現(xiàn)電影有“重影”，這是因?yàn)閮膳_(tái)攝像機(jī)的畫面有略微視差。而3D眼鏡則能夠讓左（右）眼只看到左（右）攝像機(jī)拍到的畫面，從而形成3D的視覺(jué)效果。3D眼鏡有紅藍(lán)眼鏡、偏振光眼鏡、液晶快門眼鏡。最早的是紅藍(lán)眼鏡，電影放映時(shí)，兩幅畫面分別是紅色和藍(lán)色，而紅色的鏡片可以過(guò)濾掉所有的藍(lán)光，藍(lán)色的鏡片可以過(guò)濾掉所有的紅光，這樣子就可以使得左右眼看到不同攝像機(jī)拍到的畫面，從而有3D效果。但是紅藍(lán)眼鏡看到的色彩失真，體驗(yàn)不佳。后來(lái)就出現(xiàn)了偏振光眼鏡，鏡片是一對(duì)透振方向互相垂直的偏振片。在放映時(shí)，兩個(gè)放映機(jī)用振動(dòng)方向互相垂直的兩種偏振光將圖像放映到銀幕上，人眼通過(guò)偏振光眼鏡觀看，每只眼睛只能看到單獨(dú)一臺(tái)攝像機(jī)拍攝到的一個(gè)圖像，這樣也能有3D效果。液晶快門眼鏡則是利用視覺(jué)暫留的原理，放映機(jī)以極快的頻率交替放映左右攝像機(jī)拍攝到的畫面，而液晶快門眼鏡則以同樣的頻率切換，在放映左畫面時(shí)，只讓左眼能看到，右眼看不到，而放映右畫面時(shí)，只讓右眼能看到，左眼看不到，這種眼鏡3D感最為真實(shí)。

By 重光

3

Q：為什么不同氣體燃燒產(chǎn)生的火焰顏色不一樣？

? ? ?by?loser

首先我們看到的火焰產(chǎn)生的顏色主要是由于其光的頻率不同造成的顏色的差別，因此我們可以從燃燒產(chǎn)生的光的頻率這一點(diǎn)來(lái)分析。燃燒反應(yīng)的本質(zhì)是氧化反應(yīng)（一般而言），即可燃物與氧氣作用產(chǎn)生熱和生成物的過(guò)程。燃燒會(huì)發(fā)光是由于物質(zhì)分子部分動(dòng)能高，將電子激發(fā)到高能態(tài)，高能態(tài)再退激發(fā)到基態(tài)產(chǎn)生光子。由于在不同的燃燒環(huán)境下，燃燒物不同，分子的外殼層結(jié)構(gòu)不同，導(dǎo)致其光子的頻率不同，反映在宏觀情況下即為不同的火焰顏色。

另外，對(duì)于蠟燭的燃燒過(guò)程，火焰是一個(gè)以亞音速、自維持傳播的局域燃燒區(qū)域，即在“火焰”的區(qū)域燃燒反應(yīng)在進(jìn)行著，因此發(fā)光區(qū)域在火焰的存在區(qū)。其中內(nèi)焰燃燒時(shí)由于含有較碳微粒燃燒，因此其亮度最高。

By Nuor

4

Q：聲波和沖擊波有哪些區(qū)別？

by?以太海洋

聲波和沖擊波都是波的一種形式。聲波的形成是聲源振動(dòng)傳播，使周圍的空氣壓強(qiáng)在正常的壓強(qiáng)周圍上下波動(dòng)，其波動(dòng)的振幅可以用分貝來(lái)描述，我們?nèi)粘Ｕf(shuō)的安靜環(huán)境40~50dB就是根據(jù)聲波的這一特性來(lái)描述的。在地球的環(huán)境下，由于聲波波動(dòng)聲壓有最小值——真空，所以聲波的上限為194dB。

但是，當(dāng)能量足夠大，物質(zhì)聲源的膨脹速度大于其傳播速度（聲速）時(shí)，會(huì)有沖擊波產(chǎn)生。沖擊波前的空氣來(lái)不及對(duì)振動(dòng)發(fā)生“反應(yīng)”便被快速改變，會(huì)導(dǎo)致介質(zhì)中的壓強(qiáng)、溫度、密度等物理性質(zhì)發(fā)生跳躍性改變（也因此沖擊波的上限超過(guò)了194dB）。以超聲速飛機(jī)為例，由于飛機(jī)飛行速度會(huì)比聲音的傳播速度快，因此會(huì)在其頭部和尾部產(chǎn)生沖擊波，沖擊波經(jīng)由空氣突然達(dá)到人耳，人耳鼓膜感受到空氣的壓強(qiáng)突然變化，就是轟然巨響的爆炸聲，也就是我們常說(shuō)的：音爆。

沖擊波能量衰減很快，經(jīng)過(guò)衰減，其波從非線性波變?yōu)榫€性波，也就退化成了正常的聲波。

By Nuor

5

Q：請(qǐng)問(wèn)避雷針的工作原理是什么，有的文章說(shuō)引雷，有的文章說(shuō)是因?yàn)榧舛朔烹?、電荷中和，從而避雷，想?wèn)下事實(shí)究竟是什么？

by?匿名

避雷針的原理就是遠(yuǎn)高于建筑物的金屬尖端，優(yōu)先達(dá)到尖端放電條件并中和雨云所帶的電荷從而達(dá)到避雷的效果。尖端放電是一種物理效應(yīng)，是指在強(qiáng)電場(chǎng)作用下，物體尖端發(fā)生的放電現(xiàn)象，其結(jié)果就是放電體電荷與雨云電荷中和，一般尖端處總有更大的電荷密度，且越尖電荷密度越大，電荷密度越大則電場(chǎng)越強(qiáng)。在雷雨天氣時(shí)雨云帶有大量的電荷，當(dāng)其在建筑物上方時(shí)會(huì)在建筑物上感應(yīng)出電荷，雨云和建筑物的電荷電性相反，這之間會(huì)產(chǎn)生出很強(qiáng)的電場(chǎng)，越高的建筑離雨云越近，越尖則尖端處的電場(chǎng)相對(duì)越強(qiáng)，這兩個(gè)條件都使得建筑物更容易發(fā)生尖端放電；如果物體中的電荷不足以中和雷雨云中的電荷或者發(fā)生尖端放電的電場(chǎng)強(qiáng)度很高，則物體多半會(huì)被強(qiáng)電場(chǎng)瞬間擊毀，因此避雷針的要求是金屬材料，要尖，要置于建筑物的最高處，并且與大地要有良好的連接，這樣一來(lái)避雷針就可以優(yōu)先達(dá)到放電條件，在電場(chǎng)不太強(qiáng)時(shí)就放電中和雨云電荷，并且與地面的良好連接可以提供大量電荷用于中和，從而保護(hù)建筑物不被雷擊。尖端放電和電荷中和只是在不同的角度描述這個(gè)問(wèn)題，沒(méi)有對(duì)錯(cuò)的分別，由于避雷針優(yōu)先與雨云放電，因此某種程度也可以說(shuō)是“引雷”。

By?二十三

6

Q：為什么容器洗到水在上面既不成股流下，也不聚成液滴就算洗干凈了?

by 匿名

這主要是由水的表面張力與水和表面的吸附力決定的，而且該方法主要適用于玻璃容器。當(dāng)液體滴在固體表面時(shí)，其彎曲的表面與固體表面形成一個(gè)角，這個(gè)角叫接觸角（如圖中的角），其大小衡量液體浸潤(rùn)固體表面的程度；一般水在干凈玻璃上的接觸角小于90°，其表面張力小于水分子與玻璃內(nèi)原子的吸附力，水浸潤(rùn)玻璃，因此水在玻璃上無(wú)法形成水珠；這個(gè)接觸角對(duì)固體表面的污染物很敏感，一般污染物會(huì)顯著增大接觸角。實(shí)驗(yàn)室玻璃容器在盛裝試劑之后，表面有很多殘留物，殘留物增大了水在玻璃表面的接觸角，水開始變得不浸潤(rùn)玻璃而形成水珠，甚至是成股流下，因此該方法可以用來(lái)判斷玻璃器是否洗滌干凈。另外生活中看到的防水面料，水滴在上會(huì)形成水珠，與在玻璃上完全不同，還有荷葉上晶瑩剔透的水珠，都是因?yàn)樗谶@些材料表面的接觸角大于90°（也可以說(shuō)是不浸潤(rùn)）。

By?二十三

7

Q：一塊西冷牛排從多高的地方掉下去剛好烤熟？

by 浮生Demon

假如牛排從空中的某點(diǎn)開始下落，其下落過(guò)程中受到重力和空氣阻力的作用，空氣阻力反映在迎面而來(lái)的阻力和側(cè)面的摩擦力上。空氣阻力的大小為F，其與空氣密度，迎風(fēng)面的面積成正比，與速度的平方成正比。所以牛排從靜止開始加速到其臨界速度（以重250g，迎風(fēng)面積0.01m2，空氣阻力C取0.05，ρ=1.293g/L為例），粗略估計(jì)約為6km/s，嗯，超音速了。

之所以要考慮到音速的問(wèn)題，是因?yàn)樵诳諝庵兴俣热绻^(guò)了2.5M（馬赫，一馬赫即一倍音速），就要考慮氣動(dòng)加熱（當(dāng)物體與空氣或其他氣體作高速相對(duì)運(yùn)動(dòng)時(shí)所產(chǎn)生的摩擦力轉(zhuǎn)為熱力的過(guò)程）現(xiàn)象了。牛排從高空下落時(shí)其速度和壓縮空氣產(chǎn)生的熱量的關(guān)系需要復(fù)雜的模型計(jì)算，具體官方資料可以在：《戰(zhàn)術(shù)導(dǎo)彈整流罩的氣動(dòng)加熱預(yù)測(cè)》以及《再入飛行器的溫度歷程計(jì)算》中找到類似的計(jì)算過(guò)程，這里援引參考中的結(jié)論：當(dāng)牛排從70km的高度下落，會(huì)獲得180℃，60s的加熱時(shí)間，這大概會(huì)得到一個(gè)一分熟的牛排？當(dāng)牛排從100km的高空下落時(shí)，牛排外表會(huì)被烤焦，但馬上會(huì)遇到冰冷的平流層暴風(fēng)，其內(nèi)部仍然是生的。當(dāng)牛排從250km的高空落下時(shí)，牛排的最高速度可以達(dá)到6馬赫，這個(gè)溫度下的牛排表面是焦的，由于時(shí)間過(guò)短，其內(nèi)部仍然無(wú)法通過(guò)熱傳導(dǎo)被加熱，且由于掉落速度過(guò)快，焦掉的表面會(huì)被風(fēng)刮走，所以牛排會(huì)越來(lái)越小。當(dāng)然，如果事先安排好牛排的形狀，是可以得到一塊烤好新鮮的牛排的。

但是，考慮到大氣中25km的區(qū)域內(nèi)溫度都在0度以下，牛排會(huì)被凍住且落地后會(huì)被摔得粉碎，所以，幻想著可以往高空扔一頭牛，在底下等著吃熱乎新鮮牛排的你可以放棄這個(gè)危險(xiǎn)的想法了。

參考：Steak Drop?https://what-if.xkcd.com/28/

By?Nuor

8

Q：不同高低的聲音全部混雜在一起，人耳是如何把音調(diào)不同的聲音分開的？

by?胖胖

說(shuō)到分辨不同頻率的聲音，我們首先就會(huì)想到傅里葉變換，通俗的說(shuō)傅里葉變換就是把不規(guī)則的隨時(shí)間的振動(dòng)分解成一些列強(qiáng)度不同簡(jiǎn)諧波的數(shù)學(xué)操作。

而人耳分辨不同頻率聲音的奧秘就在于人的聽覺(jué)系統(tǒng)可以進(jìn)行“傅里葉變換”，只不過(guò)這個(gè)傅里葉變換并不如我們想象的那樣是大腦的后期處理，而是在耳朵里有著對(duì)應(yīng)的生理結(jié)構(gòu)，這個(gè)生理結(jié)構(gòu)就是耳蝸中基底膜。

基底膜隨著耳蝸螺旋盤繞，在耳蝸外端，基底膜剛性較大，寬度較窄，能夠和振動(dòng)中的高頻成分發(fā)生最大共振，在耳蝸內(nèi)端，基底膜剛性較小，寬度較寬，能夠和振動(dòng)中的低頻成分發(fā)生最大共振，不同區(qū)域的振動(dòng)使得柯蒂氏器上不同部位的毛細(xì)胞發(fā)生彎曲，最終變?yōu)椴煌窠?jīng)上的信號(hào)，我們就能分辨出不同頻率的聲音了。自然造物是多么的神奇，通過(guò)這樣一種簡(jiǎn)單的結(jié)構(gòu)，就可以通過(guò)物理手段實(shí)現(xiàn)傅里葉變換，我們的腦子就不用進(jìn)行那么復(fù)雜的活動(dòng)了！

需要提到的是，毛細(xì)胞是不可再生的，而由于耳蝸外端的毛細(xì)胞受外界聲音影響更大，所以隨著年齡的增長(zhǎng)，我們慢慢的會(huì)聽不到高頻的聲音。所以，一定要保護(hù)好自己的聽力鴨！

參考文獻(xiàn)：

[1] Yooil Kim.Scientific Reports.2018,8,12023

[2] 馬赫. 科學(xué)哲學(xué)演講錄

By??J.?Baker

>>本期答題團(tuán)隊(duì)<<

物理所? ?Nuor、二十三、Ling、J.Baker、重光

我們下期再見(jiàn)QwQ