为什么沙+水=沙雕？| No.238

Original Frions 中科院物理所 2021-03-24

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223个

相信大家小时候都玩过沙子
毕竟谁还不是个“沙雕”少年
但松散的沙子无法定型
想要像泥巴一样做出各种造型
就势必要借助水的力量
可为什么沙和水都没有粘性
碰到一起却能打造出“沙雕”？

Q1

为什么干的沙子是松散的，而湿的沙子可以结块？

by 愿做苦行僧

答：
干的沙子松散容易理解，这是因为沙子之间的距离微观上很大，颗粒间吸引作用很小导致的；而湿的沙子可以结块是因为颗粒间存在着毛细压力，这种黏结力实际上是水的表面张力。如下图所示：
当两个沙粒之间存在着少量水时，粘黏在沙粒上的水会形成凹液面，水与空气的界面上的表面张力总是沿着切线方向，显然这个张力会促使沙粒靠近，产生黏结在一起的效果，这种张力作用就是毛细压力。注意，水过多凹液面自然无法形成，这种毛细压力也随之消失了，所以在水中也是无法将沙子捏成一团的。
参考资料：《土力学与基础工程》（第四版）赵明华P12
by Alan
Q.E.R.

Q2

为什么阳光照在头发上，可以看到许多重复的色条？

by 匿名

答：
在阳光照射下头发呈现的颜色比较复杂。头发纤维对光的散射，十万根发丝（如果头发还没有为ddl拼过命）之间的相互作用都会对最终呈现的发色产生影响。目前被广泛应用的Marschner模型将头发纤维近似为含有色素的柱状内部介质和表面覆盖的倾斜鳞片两部分。下图给出了入射光线经头发纤维散射后形成的不同光路。
头发纤维的Marschner模型示意图[1]
光路R对应的入射光线在头发纤维的表层发生反射。TRT光路对应的入射光线经过头发纤维表层折射进入内部并在下表层反射后透射进入空气，可以看出出射点和入射点之间存在偏移。R与TRT光路在出射角度和出射点的偏移产生了视觉上可以分辨的高光，此外由于TRT光路会经过含有色素的头发纤维内部，形成的反射高光是有颜色的[2]。因此在阳光下我们可以看到与头发纤维垂直的方向上会出现重复的线形高光。
参考资料：
[1] Marschner S R , Jensen H W , Cammarano M , et al. Light scattering from human hair fibers.
[2] Light Scattering from Human Hair Fibers(人类头发纤维的光照散射)
by 观山不易
Q.E.R.

Q3

2000瓦的空调制热量是4500瓦，那么多出来的2500瓦是从哪里来的呢？by 空缺

答：
空调毋庸置疑肯定是服从能量守恒的，所以并不会有凭空多出来的能量，实际上这2500瓦来自于外环境。
作为热机的空调和电热毯这种电热设备的不同在于：电热设备所有的热量都来自于电-热转化，即用电器消耗了多少电能就全部把它们转化成了热，而空调实际上是热量的“搬运工”。2000瓦是让热机工作起来需要消耗的代价，而这个“搬运工”所做的事情是把外界的2500瓦吸收进热机然后再把4500瓦的热量释放到房间内。这4500瓦总制热量中，有2000瓦来自于电能的电-热转化，有2500瓦来自于外环境。
所以空调的制热效率是高于纯电热设备的。
by luna
Q.E.R.

Q4

保温杯里装入开水，再放一个带壳生鸡蛋，盖上盖子，最终鸡蛋会熟吗？by 吃饭了

答：
是可以这样煮熟鸡蛋的，但是保温杯容量不能太小。
煮熟鸡蛋本身是不需要太高的温度的，原则上只要破坏蛋白质结构，使之变性凝固就算是熟鸡蛋，这种破坏所需的温度大约在55℃左右 [1]，有一种叫低温蛋的煮鸡蛋方法，即温泉蛋，就是把鸡蛋放在55℃以上的恒温水里一段时间鸡蛋便被煮熟了，所以说在保温杯里面装上开水（100℃左右），再装入鸡蛋，是完全可以把鸡蛋煮熟的。
当然，这首先要求保温杯保温效果比较好，在通常的开水煮鸡蛋情况下，需要10分钟左右鸡蛋便熟透了，恒温70℃左右的水需要大约30分钟，满足保温条件后，其次是要求保温杯容量不很小，因为装入鸡蛋后杯中开水需要先把热量传给鸡蛋使之升温到55℃以上（最好再高一点），假设鸡蛋比热和水一样（实际上水的比热大一些），500ml的保温杯煮熟一个鸡蛋是绰绰有余的，实际操作见参考资料[2]。
参考资料：
[1]Effect of Heat on Egg White Proteins
[2]保温杯里放个鸡蛋，解决了多数人的大烦恼
by Alan
Q.E.R.

Q5

插在插座上却没有连接电器的充电器里面的电以何种形式去了哪里？

by ACorBug

答：
充电器本身并不存储电能，它实际上是一个变压器，负责将插座中220V的电压降低到大约5V左右，才能给手机或电脑充电。那么没连接电器时，充电器内部是不是就没有电流呢？并不尽然！我们先来看一看最简版的变压器结构：
这是一个矩形铁芯，左右各绕有一个线圈。左侧交流电源向原线圈中输入交变电流，在铁芯内激发交变的磁通量，根据法拉第电磁感应定律，右侧副线圈中会产生交变的感应电动势。由于绕线圈的匝数N₁和N₂不同，AB和CD间的端电压也不同，这就实现了“变压”的目的。当然实际充电器的电路远不止这么简单，但基本原理是相同的。
在充电器不连接负载时，由于空气电阻很大，图中右侧回路可认为是断路。然而只要电源依旧连接着，原线圈中就还有电流（该电流具体大小跟原线圈自感系数L₁有关），所以依旧会耗电。耗的电去哪里了呢？一方面转化成了线圈的自感磁能，另一方面在电源内阻、导线电阻上耗散成热量了。
最后，建议大家还是不要把充电器一直插在插座上！不仅因为长时间通电会损坏电路元件，更是因为万一充电器质量不好，自身发热比较严重，高温天气可能发生自燃引发火灾！二话不说我赶忙拔下了手边插座上的充电器……
参考资料：赵凯华、陈熙谋，《电磁学》，高等教育出版社
by Eosia Leaf
Q.E.R.

Q6

为什么自行车脚蹬反向旋转的时候对自行车的运动没有影响？

by 匿名

答：
自行车后轮的花鼓示意图大概像上面这样。图中的结构内侧通过轴承与自行车的飞轮与轮轴相连（即安装在后叉），外侧则与轮圈、轮胎相连。观察图中棘轮的构造可以看出，外部相对于内部可以自由逆时针旋转，但无法顺时针旋转，因为此时内部的齿会牢牢顶住外部的凹槽，使二者的角速度保持一致，这也就使得踩踏时飞轮和后轮能够一起运动，而滑行时飞轮不动，或者反向蹬踏使飞轮反向转动，后轮仍然能够滑行一段距离。
有一种自行车称为死飞，这种车的后轮构造与一般自行车不同，飞轮端与轮圈固连，也称为固齿车。这种飞轮与后轮严格地同轴的设定使得这种自行车不能够滑行，即保持运动必须要以相应的速度踩踏，刹车时则脚向后用力踩住脚踏，可以直接令后轮抱死。同理，不同于寻常的自行车，反向蹬踏可以使之向后运动。由于花鼓内部严格咬合，它的踩踏效率高于普通的自行车，并且构造简单不容易损坏。由于具有以上这些特点，固齿车也常用于通勤和特技表演。
by Hanging man
Q.E.R.

Q7

现在已经有了激光武器，那能不能像动画里面奥特曼用光线（激光）技能对轰，中间形成一个碰撞点？by 匿名

答：
当电磁场比较弱时，一般的介质都是线性极化的，此时介质中的麦克斯韦方程组是线性的。也就是说，如果两个电磁场分别满足方程，那么它们的和也是满足方程的，这一性质的直接结果就是电磁波的传播是独立的，奥特曼A发出的激光能否打中奥特曼B，与B是否发射激光无关。
但是，当电磁场极强时，一系列非线性效应就会显现出来。如果介质的折射率随激光强度的增大而减小（一个可能的机制是由于激光的热效应，介质温度升高从而变得稀疏），就会导致激光的自散焦。如下图所示，假设光束中心激光的光强最强，此处的折射率最低，折射率梯度导致光束向远离中心的方向偏转。两束对射激光相交区域光强最强，由于自散焦效应，激光在这一区域向四面八方散射，激光对轰的神奇效果就出现了。
by 乐在心中
Q.E.R.

Q8

冬天，我国东北细小物体冻透也就分分钟的事。小鸟的腿部纤细，在此生活的留鸟腿部是如何不被冻伤的？by 一块小石头

答：
鸟儿腿部并不纤细，甚至还很强壮。所谓纤细的腿部，其实只是鸟儿腿部的一部分。以家鸡为例，严格可以被称作腿的那一部分，就是大家能买的手枪腿，两块大骨头上有大块鲜美的鸡肉（对不起串台了）；而提问者所问的，则是鸟的跗间关节（跗跖）和趾，具体的例子就是纤细的泡椒凤爪。
鸟的脚表面虽然有鳞片覆盖，但是防风抗寒肯定比不上身上那一身毛茸茸的羽毛，再加上有些鸟儿在冬天还要伫立在水中，防止热量散失自然是重中之重。鸟类的解决办法就是利用逆热流交换。在鸟类的下肢，静脉与动脉是并行的，这样使得热的动脉血在向肢端运动的过程中，将热量传递给回心的静脉血。使得动脉血在到达趾的时候，温度得到有效的下降，甚至可以下降到接近0℃，使损失到环境的热量大大下降。同时鸟类的跗间关节和趾由于长期适应于低温，在低温状态下血管微循环不会有应激和损害，进一步减少了低温的伤害。
图片来源：All about birds
生物体利用逆热流交换可以追溯到古老的鱼类，这一系统是如此高效，以至于在几乎所有鱼类和鱼类演化而来的生物中都有所应用。例如生活在水中和寒冷地区的哺乳动物，都有利用逆热流交换，来减少温度散失的肢端血管网络。其实裸猿智人也有一样的系统，这也是为什么你手的温度会低于你胳膊的温度，只不过并没有那么高效，所以还是很容易冻伤（强烈要求南方也要通暖气）。
by 某大型裸猿
Q.E.R.