企鹅用小jiojio摩擦冰面会不会感到暖和？| No.219

Original Frions 中科院物理所 2021-01-06

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213个

摩擦摩擦
在光滑的冰面上~
生活在冰天雪地的南极
企鹅们为了让自己不被冻死
进化出了一整套系统来给自己保暖
可是它们每天在冰面上走着
偶尔是不是也会觉得jio冷
用jio摩擦冰面会不会带来一丝温暖

Q1

为什么以前的火车的轮子和轮子间会用一个“铁条”连接起来？

by 我我我设计师

答：
你说的是连杆机构吧（火车轮之间的连杆机构属于平面四杆机构），属于火车发动机的运动机构，其主要功能是将气缸内气体作用在活塞上的力转化为曲轴的旋转力矩，从而驱使火车车轮转动。连杆机构是若干刚性构件通过低副联接而成的机构，在生活中极其常见。而连杆机构有一个比较重要的概念，死点，即有效分力为零的点，在这个点上，无论有多大的驱动力都不能使之转动，因此火车的连杆机构也是多组机构错位排列的，从而使死点互相避开。
而现在的高铁/动车为什么没有呢，那是因为现在都是电力驱动，每个车轮都直接由电力驱动，这样当然没有传动的必要了。而连杆则主要将牵引力“输送”给每一个车轮。另外划重点：不是所有蒸汽动力的机车都是带连杆的，也是有电传动的。
by Aaron chen
Q.E.R.

Q2

为什么电线里铜丝是很多很细的铜丝集合，而不是一根粗的铜丝呢？

by 天天天

答：
其实这两种线都有的，分别叫做单芯线（一根粗粗的铜丝）和多芯线（很多细细的铜丝）。单芯线的强度大，抗拉力更强，不易被拉断，比较适合长距离的布线；但同时单芯线也相对更硬，不容易弯折，室内装修布线经常会“九曲十八弯”，这时候多芯线相对更柔软，方便弯折布线。
对于交流电来说，导线内部的电流并不是均匀分布的，随着距离导线表面越来越远，电流密度按指数形式迅速衰减，导致电流集中在导线很浅的一层表面（就像皮肤一样）内，使得导线的电阻增加。比如对于双向8车道的大马路，趋肤效应导致来往车辆大部分都在靠两侧的4车道行进，而中间的4车道几乎空着，道路利用率大大降低，于是便很容易堵车了（电阻增大）。趋肤效应会阻碍高频电磁波进入导体内部，常见的例子便是在金属的电梯厢里手机没信号（手机信号是电磁波）。
回到我们的导线，高频交流电下，由于趋肤效应的影响，单芯线中心的部分电流密度很小，相当于“浪费”了，而多芯线由于每一根导线丝都很细，相对而言“浪费”的很少。传输高频交流电的利兹线便是编织起来的多芯线，目的之一便是为了减缓趋肤效应。当然了，趋肤效应也并非是洪水猛兽，既然高频电磁波在导体中随深度迅速衰减，那么在皮肤上涂薄薄一层的“导体”（比如氧化锌或者氧化钛）是不是可以让紫外线（也是一种电磁波）迅速衰减呢？听起来很硬核，但确实是真·物理防晒霜的原理，其中的“导体”用的是氧化锌和氧化钛等微粒。
By 金鱼J
Q.E.R.

Q3

迫于无奈替女儿提个问题不知道能否得到答案：我的小脚在沙发上摩擦就会觉得很暖和，那南极的企鹅用它的脚在冰面上摩擦也会觉得暖和吗？by 媛媛

答：
脚和沙发在摩擦的过程中，体内的细胞们努力工作使你的腿动起来，并加剧了各种分子的热运动，内能增加，表现在皮肤上的感受就是温度升高使我们感到温暖，就像冷的时候动一动也能让我们感到温暖。而企鹅们用脚摩擦冰面当然也会将自己体内的能量转化为热能导致温度有一定的升高。但在南极这样恶劣的环境下，企鹅们让自己感到温暖可不是靠摩擦冰面，首先它们最外层的羽毛向外辐射的热量大于其吸收的热量，导致它们身体表面的温度低于环境温度，但企鹅的身体上覆盖的脂肪和毛发可以减少从皮肤表面流失的热量，保持体温；其次脚上没有毛发覆盖的企鹅们进化出了特别的血液循环系统，使得脚部的血液温度较低，从而减少和环境的温差并减少散热，进而保护自己的脚也不会被冻伤。
你说的是这样摩擦冰面吗？| 图源网络
企鹅抱团取暖 | 图源网络
by 懒懒的下午三点半
Q.E.R.

Q4

下雨天蝴蝶都去哪了？

by 匿名

答：
和大多数生物一样，下雨的时候都要找地方避雨，蝴蝶一般会就近选择花草树木进行避雨，在叶片或花草的背面收拢翅膀避免被雨淋到。但其实蝴蝶翅膀由于其表面上微纳米级的鳞片组合结构和鳞片之间由于空隙而形成的气层的存在，具有较高的疏水性并表现出各向异性的浸润性，使水滴在其表面沿着固定方向滚动，有效地避免身体被水沾湿。但身体不被沾湿不代表蝴蝶可以肆无忌惮地在雨中穿梭，稍微大一些的雨滴的重量对蝴蝶来说简直就是生命不可承受之重，所以如果只是很小的毛毛雨它们可能还能在草丛间飞来飞去，但是一旦雨势变大，即使穿着“雨衣”也必须暂避锋芒找地方躲雨了。
By 懒懒的下午三点半
Q.E.R.

Q5

利用电吹风可以让乒乓球悬浮在一个确定位置附近，我想知道它的原理是什么？by 我我我设计师

答：
图源网络
许多解释吹风机悬浮乒乓球时往往用到伯努利原理，认为流体流速越大，压强越小。于是乒乓球周围空气流速大，压强就小了，气压让乒乓球不容易左右移动，而吹风机朝上吹的力抵消了乒乓球自己的重力，造成了乒乓球悬浮的现象。但是这些解释往往忽略了伯努利方程的限制条件，伯努利方程是在理想流体、稳定流动、同一流线等特定条件下推导出来的。在这个例子中，造成压强差的气体并不出于同一气源，所以许多学者认为用康达效应解释这个实验更加合理。
康达效应(Coanda Effect)：流体会偏离原本的流动方向，改为沿着它所接触到的弯曲表面轮廓流动。弯曲的流线气体，内外层气压不相等，外层气压大于内层气压，提供流体弯曲运动的向心力。
流体压强变化
当空气流过乒乓球时，气体围绕乒乓球轮廓，在球的表面移动一段距离后离开，由于气流做曲线运动，内侧的气体压强小于外侧的气体压强，产生指向圆心的向心力。康达效应产生的合力向上，与重力平衡后稳定悬浮在空中。进一步地，把乒乓球看做表面光滑且质量均匀的球体，气流看做理想流体，气流在小球周围形成稳定的流场，小球就被限制在气流中央。
参考资料：用柯恩达效应科学解释电吹风悬浮乒乓球实验
by 懒懒的下午三点半
Q.E.R.

Q6

为什么生物不是染色体数目越多就越高级呢？

by 匿名

答：
首先需要纠正提问的同学一个错误的观点，物种之间只有进化程度的差异，并没有高级低级之分。所以问题应该是“为什么生物不是染色体数目越多进化程度越高？”。举个简单的例子，单细胞真核生物酿酒酵母（Saccharomyces cerevisiae）一共有16条染色体，而相对进化程度更高，功能更加复杂的昆虫果蝇（Drosophila melanogaster）只有8条染色体，而植物的典型代表拟南芥（Arabidopsis thaliana）只有10条染色体。
这一现象产生的原因是因为染色体本身只是一个相对稳定的存在，染色体断裂，融合，移位以及异源基因组整合使得基因组数量在进化过程中始终是一个变量。染色体融合的经典实例就是人（Homo sapiens）和黑猩猩（Pan troglodytes）。人和黑猩猩超过95％以上的基因是相同的，但人的染色体是23对46条，而黑猩猩是24对48条。因为在人基因组中，2号染色体是由两条染色体融合而来。异源基因组整合在植物中更为常见，比如普通小麦（Triticum aestivum）的驯化过程。三个物种染色体的整合让普通小麦成为了六倍体，拥有了高达42条染色体。
此外通过技术方法也可以人工实现染色体整合，比如之前2018年中科院就报道了实现了对酿酒酵母（S. cerevisiae）的单染色体化，就是把16条融合成了1条，酵母的生长繁殖也没有受损，直接证明了染色体数量与机体功能之间并没有直接关系。
当然，一个稳定物种，染色体数量发生变化通常意味着发育异常甚至死亡。例如著名的21三体综合征便是多了一条21号染色体。此外癌细胞因为端粒缺陷，染色体增加丢失也是常见现象，著名的HeLa细胞的染色体数在不同株系数量不同。
by 某大型裸猿
Q.E.R.

Q7

电视画面是由一个个色块构成，人眼接受画面也是用一个个细胞，为什么不会出现摩尔纹？by 匿名

答：
用数码相机（或手机）直接拍摄电脑、电视的画面，拍出来的照片会有魔性的条纹，严重干扰我们看清照片内容，这就是摩尔纹。摩尔纹是由两个周期性图案叠加在一起产生的，与差拍的原理相同，当两个图案的周期相近时，就会出现明暗变化。
摩尔纹产生示意图
众所周知，电脑、电视的显示屏实际上是靠无数微小的“像素”来显示图案的。这些显示单元整齐的排列在一起，具有周期性结构。而数码相机的感光芯片也是由一个个感光单元整齐排列构成的。如果屏幕像素在相机内成像的周期和相机感光单元的周期相近，就一定会出现摩尔纹。
放大后的显示屏
人眼视网膜也是由一个个感光细胞排列构成的，其中能感色的视锥细胞不过400万（不如专业的相机），为什么人眼看屏幕不会看到摩尔纹呢？
首先，人眼视细胞的排布并不规律，没有明显的周期性。黄斑集中了大量的视锥细胞，其他部位则看个差不多就行了。没有周期就不会与有固定周期的显示屏形成差拍，因此人眼没有摩尔纹。
人视锥细胞分布示意图，暂不考虑更多的视杆细胞
其次，人感受到的视觉经过大脑的处理，已经不是视细胞信号的简单叠加。人眼在看东西时不是固定不动，而是不断调整视角，使视野中心最清晰的部分能覆盖更多面积。再由大脑把各个角度看到的图像合成、滤波等，最终得到视觉。即使人眼的RAW有摩尔纹，也会在复杂的合成流程中烟消云散。
部分图片来源：拍照时为什么尽量别穿条纹的衣服？摩尔纹大揭秘！
by 萌萌的托卡马克
Q.E.R.