为什么气球总是“撒手没”？| No.226

Original Frions 中科院物理所 2021-01-06

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昨天是本世纪仅4次的双节同庆
小编为了庆祝就吹了几个气球
结果一个手抖
刚吹好的气球就飞了
这让人摸不着头脑的飞行轨迹
像只二哈一样满屋子乱窜
简直就是撒手没
但是为什么气球的飞行轨迹
不是直线而是到处乱飞呢？

Q1

请问为什么气球瞬间撒气的时候，不是直线冲出去，而是满房间四处飞放气呢？by 匿名

答：
小时候经常玩气球，有时候将气球吹大后，一不小心突然放手，气球就从手里飞走了。是因为气球原本内部气体压强大于大气压强，撒气后气体从一端高速冲出，空气流对气球的反冲力就成为气球飞行的动力。但是气球撒气的瞬间，气球并不是直线冲出去，可以看见气球运动的路线曲折多变。主要是因为：气球各处厚薄不均匀导致张力不均匀，使气球放气时各处收缩也不均匀而产生摆动，这样反冲力和运动速度的方向不能总是保持一致，产生夹角，从而运动方向不断变化；另外气球在收缩过程中形状不断变化，因而在运动过程中气球表面的气流速度也在不断变化。根据流体力学原理，流速大，压强小，所以气球表面受空气的压力也在不断变化，再加上由于气球摆动和收缩造成的迎风面积变化等因素，在气球“飞行”过程中空气阻力的影响也不可忽略。各种因素综合影响下气球发生摆动导致运动方向不断变化。
by 懒懒的下午三点半
Q.E.R.

Q2

透明胶带用水泡久了以后为什么会变白？

by 匿名

答：
透明胶带的“带”本来就是透明的，主要是因为胶带使用的是BOPP(双向拉伸聚丙烯)，PP就是传说中的PP塑料，我们很多时候使用的餐具就是PP的，大家都知道PP餐具是安全的（也是透明的），其实它们和胶带是同一种化学材料。
透明胶带在粘上了别的东西之后就会失去透明的性质，在水中泡久了也是因为吸附了水中各种乱七八糟的东西。失去透明的性质是因为，在吸附了各种东西之后，胶带吸附面的表面变得不再平整光滑，光线在穿透它的时候会发生各种散射和折射。这和浪花、泡沫也显现出白色的原因是一样的。想必透明胶带在泡水的时候，使用的水也不是蒸馏水，里面都会或多或少的有乱七八糟的微生物和微小颗粒，这些颗粒被胶带吸附就是胶带变白的原因。
by Luna
Q.E.R.

Q3

蚊子为什么都是倒挂着或者竖着而很少看见正趴着（这样不应该更省力吗）？by 被蚊子折磨的某人

答：
首先，第一个原因：蚊子比我们轻N倍，一只蚊子的重量大约是0.002g，比人轻大约三千万倍。人尚且可以爬树——对蚊子来说趴在墙上在克服重力可以想象是轻松的多的事情。
第二个原因是，虽然对人类来说，墙壁是光滑的，树和攀岩的岩石表面是凹凸不平的，但是对比我们小N倍的蚊子来说，墙壁其实是凹凸不平的，上面有很多可以附着的地方。这些昆虫的腿上往往还有特殊的钩状的结构，可以让他们更轻松的附着在不同种类的物体表面。再结合上他们自身十分十分轻的质量和十分十分小的体积。对蚊子来说，到底是趴着还是挂着没有什么区别，反正都是腿粘/钩在物体表面上，重力的影响微乎其微，所以并不存在什么姿势更省力的要素。至于为什么我们看到倒挂着和竖着的蚊子多，可能主要是蚊子自身的习性和在白色的背景下更容易被人看到的原因吧。
by Luna
Q.E.R.

Q4

可以用肥皂代替洗洁剂来洗碗吗？

by 我吃故我在

答：
肥皂和洗洁剂完全不是一种东西，肥皂的主要化学成分是硬脂酸钠，这是一种在五千年前就被发明出来的的玩意儿。硬脂酸钠是一种表面活性剂。至于表面活性剂是什么，可以参考问答199期Q5。当然洗洁精的主要成分是也是表面活性剂，只不过它的成分和配方更复杂。
既然这两种东西儿都是表面活性剂，也都是超低毒性的，看上去好像没有本质区别。那么能不能用肥皂洗碗呢？这个问题很微妙，结论是“很不推荐”。首先和肥皂比起来，洗洁精更耐硬水——不容易和水中的钙镁等离子发生反应生成皂垢。其次是，通常情况肥皂是固形物，让它溶于水就是一个有点麻烦的事情。什么？你说直接用肥皂怼锅碗瓢盆？这样清理肥皂残留反而会更麻烦。相比之下，洗洁精本来就是水溶液，所以水溶性、少残留的性质要比肥皂好，用起来也方便。除此之外，（普遍意义上的）肥皂在设计上就不是用来洗碗的啊，为什么不使用配方、设计上就是专门用来洗碗的洗洁精呢，这种专用性会有更好的质量保证，国家相关的质检部门也会有更专门的检测项目，何况价格也都不贵。
by Luna
Q.E.R.

Q5

为什么破镜不能重圆，是因为分子间隔太远吗？如果是的话那直接把碎镜靠近就行了吧？如果不是的话那是什么原因？by Gonb

答：
材料（如镜面）破碎时会有键（离子键、共价键等）的断裂和结构的扭曲，甚至会有部分结构脱落（碎屑）。在破碎后极短时间内，新边界处的原子断裂的键会自发吸附空气中的气体分子，形成一个由数层分子构成的界面。分子间的相互作用对距离很敏感，一般而言，当距离达到分子尺寸以内时，表现为斥力，斥力随距离减小增长很快，故液体固体往往很难压缩，稍远一些，表现为引力，体现为材料硬度，但距离稍微大一些（几个原子距离），引力就衰减的差不多了。
对于破镜，再想重合时，由于上面提到的原因，原来键合在一起的原子，现在基本上无法靠近彼此了（当然，宏观上看不出来），它们要么被气体分子形成的界面隔开了，要么错位了，要么脱落离开了，同时还在各自乱“热振动”，自然难以恢复原来的微观状态，形成宏观上足够大的引力以“重圆”了。
by Alan
Q.E.R.

Q6

为什么光从一种物质传播到另一种物质时会发生偏折？或者说，光的折射的实质是什么？by 同学二什二

答：
先说结论：光折射本质是光在不同介质中传播速度不同导致的。
光在介质中的具体速度的计算和解释需要涉及到光与原子分子的微观相互作用过程，在此不必要去细说，但不同介质中光速不同这一点还是好接受的（其实要是一样更难接受），就像我们在空气中走路和在水中走路感受到的阻力是不同的。在此基础上，光具有波粒二象性，讨论光的传播时，涉及到的是波动性的方面，结合波动性的惠更斯原理就很容易理解折射现象。
图1
图2
如图1，惠更斯原理是说：光速为的均匀介质中，如果“振源”发出的球面波（光）时刻传到球面（术语叫：波前），时传到，则上每一个小面源可认为是次波的波源，这些次波源产生的次球面波（半径为）在时形成的包络面就是。简单来说，就是任一时刻以后初始“振源”的效果可以用该时刻的一系列次波源的在之后产生的总效果代替。
如图2，一束光以速度在介质1中传播到界面上，光线1传播到时，光线传播到，此后1→的光线依次到达界面并在介质2（光速为）中形成自己的波前（越来越小的半球面），直到光线传播到，包络面为这些半球面公切面。这段时间记为，显然：。由此：
此即折射定律。此图还可以方便地看出反射定律，大家可以自己想一想。
by Alan
Q.E.R.

Q7

庞加莱重现和热力学第二定律不矛盾吗？

by 匿名

答：
不矛盾。热力学第二定律又名熵增原理，即孤立系统只能自发朝着熵增的方向演变，不能逆过来。庞加莱重现是说力学系统经过充分长的时间后总可以回复到初始状态附近（熵减）。
只要搞清楚两者的前提和被暗中抹掉的条件就容易看出它们并不矛盾。熵增原理是对应“实际过程”（也就是一个有限时间或者说相对于人来说是有意义的时间内发生的过程），最重要的是，它是一个统计结论（很多人会忽略这一点），在严格的教材里面的表述大概是，熵表示体系混乱度，对于宏观多粒子孤立系统（10²³个粒子），粒子的任意分布状态（数量巨大）中，对应熵比较大的状态数比熵小的状态数多的多的多（排列组合而已），因此它们出现的概率也大得多，所以体系演化过程中熵减小的概率几乎为0，但其实确实不是0，可惜“实际过程”时间短，这种可能性并不会出现（这就是统计的意义了，即把非常非常非常……不可能就直接作为不可能，这并非不可），就得到统计意义下的熵增原理了。而庞加莱重现对应理想情况，实际上体系恢复原来状态的可能性确实存在着，虽然它概率非常非常非常微小，但只要给的时间足够长，比宇宙时间还要长的多（就当是无限长吧），那就变成“无论一件事发生的可能性多么小，只要不是0，重复足够多次后，它必然会发生”的情况了，只是这个时间长度对实际并没有什么意义了。所以说两个东西不矛盾，只是一个极小概率×很有限的时间=0与一个极小概率×极大时间=1的区别罢了。
by Alan
Q.E.R.