卫星为什么不会掉下去？|No.76

大家好

给大家介绍一个

天才的构想

爬上太空电梯

把卫星“扔出窗外”

会怎么样呢？

1Q

一个火车头为什么能拉动这么多的车厢啊，比如我国大秦线的货车，拉这么重的货物。    

By  宇宙之心

A

先来告诉大家一个有点反直觉的模型：在平整的刚性地面上，有一个正圆、刚性、质量均匀的轮子在无滑动滚动。即便是不给轮子施加外力，它仍然可以一直维持匀速直线运动状态直到永远。由此看出，理想情况下，想要维持一辆车的运动并不需要额外施力（不考虑内部摩擦）。当然，对于实际情况，我们所设置的一系列条件（刚性，平整，正圆等）都不能完全满足，但是因为轮子的存在，维持火车的运动并不会“特别难”。再不济，我们还可以通过增加牵引车头或者使用更重的牵引车头的办法解决。

事实上，火车头拉动车厢最难的阶段是在启动的时候，让车厢从静止状态转变到运动状态要比维持运动难得多。不过，启动时所有车厢并不是同时启动的，而是车头带动第一节车厢，然后车头和第一节车厢共同带动第二节车厢，这样直到最后一节车厢被带动也就完成了整车的启动，这种“各个击破”的手段保证了较轻的车头也能拉动较重的车厢。

2Q

为啥自行车车胎充气后骑着轻，没气时重？

By 小问

A

就像前面回答中提到的，理想情况下，自行车在公路上行驶不需要外力驱动。实际情况下，理想的条件不能被满足。当自行车胎没气时，行驶过程中车胎一直处在被压扁-释放-压扁-释放的状态，这个过程造成大量的机械能转化成内能，能量利用率降低，所以骑起来会变重。

读者可能会问，为什么不直接去掉车胎？答案很简单，如果去掉车胎，轮毂和地面就形成刚性接触，受力非常不均匀，容易造成轮毂损伤。另一方面，骑车的人会觉得振动非常大，骑行体验不好。最后，轮胎可以增加车轮和地面的摩擦力，减少打滑。

3Q

鱼鳔的作用是：1、通过体积的改变，改变了浮力的大小，从而帮助上下运动。2、通过改变自身体积的大小，使鱼的密度和所在水层的水的密度相等，从而使其悬浮在水中。请问以上两种说法，哪种是对的？还是有其他答案？

A

两种答案都是对的，下面我们来分析一下：通过牛顿第二定律我们知道，浮力大于重力物体上浮，浮力小于重力则物体下沉，浮力等于重力则物体悬浮在水中，这是很好理解的。那么为什么还可以通过比较密度来判断物体的下沉、上浮或者悬浮？从阿基米德定理我们知道物体所受的浮力大小等于物体排开的水所受的重力。如果开始一个物体沉在水底，如果想让浮力增大，我们可以增加物体的体积，相应的，物体密度就被减小了。所以，对于同一个物体来说，增大浮力和减小密度说的是同一回事，这也是为什么题主说的两种情况都正确的原因。鱼就是通过改变鱼鳔内气体的量来改变自身的体积（同时也是改变密度）来调节自身在水体内的升降的。当然，鱼鳍也会在这个过程中起到辅助作用。

4Q

WiFi工作原理是什么，与传统的电话，电报有什么区别？

       By  梦飞

A

WiFi（Wireless Fidelity），无线保真技术，要想知道它的工作原理，可以从它的全称进行分析。

无线，指明它是一种无线连网技术，通过无线电波来连网。具体工作流程是：WiFi通过无线电波将数据发送给路由器，数据被路由器分成一个一个的数据包，经过整合传输到用户。例如：使用WiFi进行语音通话时，声信号由手机内部装置转换为电信号，通过手机内置电线发出无线电波，传给路由器，路由器把传输过来的数据传给语音通话的另一方，然后通过同样的操作使得信息得以传输。

与传统的电话相比，WiFi工作的频率在2.4GHz或5GHz，手机在800MHz-1GHz左右。其中，频率越高，可以承载的数据越多，所以WiFi可以传输大量数据，并且速度快，在WiFi条件下可以进行观看视频等操作。但是，与此同时，频段越高穿透性越差，所以在使用WiFi时，避免靠近水泥柱、墙体等，以免丢失信号。

不知道有没有帮到你。推荐一个网站：HowStuffWorks.com，里面有各种设备的工作原理，配合百度翻译效果更佳呦。

5Q

有一座独木桥极限承重100kg，小明体重80kg，拿着两个15kg的背包，有没有可能通过轮流抛接的方式过桥?

A

首先我们分析一下丢背包的过程，从你接住它起便要给它施加一个向上的力以使它先减速下降直至速度降为0，接着再加速上升。根据牛顿第三定律，此时背包也会施加给你一个向下的力，这个力需要桥给你额外的支持力去平衡，也就是说你会对桥有一个额外的压力。假设你施加给背包的是一个恒力F，从你接到它到它再次被抛起离开你手的这段时间为t，背包质量为m，则有:(F–mg)t=2mv。

在这一过程发生时，另一个背包必须一直在空中，由于抛两个背包是相同的过程，所以时间t必须小于以初速度v竖直向上运动的背包再次回到你手中的时间2v/g，也就是t＜(F-mg)t/mg，所以F＞2mg。所以通过抛接并不能起到减小压力的作用。因此想通过轮流抛接的方法过桥可以这样做:先依次把两个背包抛过桥然后再过桥>3<。

这个问题给了我们一个启示——好好减肥，别想没用的→_→。

6Q

什么是对称？

By  Freud

A

对称性是现代物理学中的很重要的一个概念，详细的数学描述需要用群论的语言，这里简单来说就是从一个状态出发进行某种变换，不改变这个状态。比如，左右对称，我们定义一个以中轴线为基准的翻折操作，即镜像变换，如果执行镜像变换后体系还是和之前一样，则我们称这个体系具有左右对称（或镜像对称）。同理，我们还可以定义平移对称性、旋转对称性等等。一般我们说一个体系的对称性高，就是这个体系可以有更多的对称变换，比如，圆沿任意一条直径都可以进行镜像变换、绕圆心可以进行任意角度的旋转变换，而正三角形则只能沿三条中垂线做镜像变换、绕中心做60度、120度和360度的变换，这说明圆的对称性比正三角形高。还有很多其他对称性，比如时间反演对称性、标度变换不变性、规范不变性等等，如果你对此有兴趣建议阅读北京大学赵凯华老师著《定性与半定量物理学（第二版）》。

7Q

您好，请问为何变电站的变压器会发出嗡嗡声(高压电线下方也会有类似的声音)？

A

题主所提到的变压器主要的部件有初级线圈、铁芯和次级线圈。变压器在工作时电流进入初级线圈并产生一个交变磁场（电生磁），交变磁场通过铁芯被次级线圈感应并在次级线圈中产生交变电流（磁生电），这样就完成了电流从初级线圈到次级线圈的传输并完成了“变压”。

    由于变压器铁芯是由一片片硅钢片叠成,所以片与片间存在间隙。当变压器通电后,有了激磁电流,铁芯中产生交变磁通,在磁场的作用下硅钢片产生倍频振动。这种振动使周围的空气或油发生振动,就发生“嗡嗡”的声音来。嗡嗡声的频率和发电频率有关，如我国发电频率是50Hz，嗡嗡声频率大概也是50Hz。如果发电频率改变，声音频率也会有所改变。当然，如果变压器内部有部件松动，也会产生额外的嗡嗡声。正常运行时,变压器铁芯的声音应是均匀的,当有其他杂音时,就应该进行检修了。

8Q

在赤道上建一太空电梯，一人带着一卫星坐电梯升到地球同步卫星轨道的高度，打开电梯门，轻轻地将卫星推出去，人会看到卫星静止的悬浮于门外成为一颗同步卫星，还是会看到卫星掉下去？

A

卫星不会掉下来是因为它做圆周运动时所需向心力正好和它所受的引力大小相等方向相同，也可以说此时万有引力正好充当了向心力，即GMm/r 48 31544 48 15289 0 0 3239 0 0:00:09 0:00:04 0:00:05 3238=mω²r。地球同步卫星其运动的周期与地球自转周期相同，那么由等式可知其必然与地球相距一个确定的距离。卫星的推进器做功不仅需要克服引力，还需要提供在轨道上运动的动能。我们假设真的可以造成一个电梯把你送到太空。在这一过程中克服引力的功由上升的电梯提供。由于电梯升降通道是固定在赤道上的，所以整套电梯机械都在做和地球自转周期相同的圆周运动。因此当你抱着卫星上去时，ω和r两个平衡的条件都符合了，它自然不会掉下去，所以你看它是静止的。事实上此时你也和它一样在做圆周运动，由于万有引力充当了向心力，所以你处于失重状态。

本期答题团队：

物理所 螳吉呵呵、yangfz、Patwf、三只猪

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