如果身边的一切都静止了，我们能看到什么？| No.241

Original Frions 中科院物理所 2021-03-24

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223个

我们的世界是一个运动的世界
运动是绝对的
静止是相对的
但如果哪天所有东西都静止了
会出现什么景象？
（是谁？谁用了砸瓦鲁多？）

Q1

冲泡布洛芬颗粒的时候，杯壁没有完全溶解的颗粒变成了类似小雪花状的圆形晶体，这是怎么生成的呢？by Fplayed

答：
这是一个重结晶过程。布洛芬是一种有机酸，其在水中的溶解度随温度升高迅速增大。在冲泡的过程中，颗粒剂先是溶于热水，形成高温的布洛芬饱和溶液。接下来，溶液逐渐冷却，成为过饱和溶液，并析出鳞片状结晶。之所以会在杯壁上析出，一方面是因为杯壁附近的溶液温度较低，过饱和度较大；另一方面是杯壁上附着有开始就没有完全溶解的颗粒，提供了凝结核。之所以形成雪花状圆形晶体，和布洛芬分子的结构有关，布洛芬分子的主体是一个苯环，晶体生长时存在优势方向，长出的晶体就呈鳞片状。
by 乐在心中
Q.E.R.

Q2

飞机机翼上的装置（可以像翅膀一样扇动的板子）有什么用途？为什么机翼末端要翘起来？by 匿名

答：
我们先来看一下机翼。
其中可以活动的板子主要有扰流板、襟翼、副翼。
扰流板：顾名思义，当其打开时可以扰乱气流，破坏机翼的气动布局，使得阻力增大，从而达到减速的目的。同时，扰流板也会导致升力降低，所以当飞机速度较大时，飞行员还能通过升起飞机一侧的扰流板，迅速降低一侧机翼的升力，让飞机失去平衡向一边倾斜，从而达到转向的目的。
副翼：由驾驶员控制，用于帮助飞机横滚从而达到转向的目的。
襟翼：用于增加升力，同时也会增加阻力。当飞机起飞、降落时，速度低于正常飞行速度，升力会大幅度降低，所以必须通过打开襟翼的方法增加升力，使得飞机能够在更低的速度下平稳飞行。而在高空高速飞行时，为了减小阻力，则会关闭襟翼。
如果你在飞机上看到一块像翅膀一样扇动的板子，那么大概率是副翼或者扰流板了，因为地面的气流非常复杂，它们需要不断地“扇动”来保持飞机的平衡。
对于机翼末端的翘起，它的名字叫做翼梢（尖）小翼。
因为飞机维持正常飞行时所需的升力是靠机翼上下表面的压力差产生的，由于上下表面压差的存在，翼尖附近机翼下表面空气会绕流到上表面，形成翼尖涡流，如图所示。
而翼梢小翼通过翘起的结构，可以很好的减弱翼尖涡流的强度，从而达到减小阻力，提高升阻比的目的，也可以节约航油提高经济效益，所以越来越多的飞机都安装了这个装置。
by whyerror
Q.E.R.

Q3

为什么中国古建筑中的榫卯结构很牢固呢？

by 匿名

答：
这可能是因为榫卯结构在抵抗地震冲击时具有一定的优势。
榫卯结构早在7000年前就已经被我们的祖先应用在建筑中了，是世界建筑文明最伟大的发明之一，其由榫（凸出的部分）及卯（凹进的部分）相互咬合而成，靠摩擦力连接，用于中国建筑中柱、梁、枋、垫板、桁檩（桁架檩条）、斗拱、椽子、望板等基本构件的连接。
想要构建牢固的榫卯结构，需要认真的设计。不同的榫卯结构要做到完整统一，并能够“左右逢源，上下贯串”，也就是说，榫卯的设计要使建筑的应力尽可能均衡得施加到各部件。当然，这也是所有建筑设计都应遵循的原则。
榫卯结构在应对地震冲击方面具有一定优势。中国古建筑多为木建筑，榫与卯的结合可以有效限制木构件之间各自的扭动，相当于半固结半活绞的状态；榫卯结构能承受一定的弯矩，构件与构件之间有缝隙，可以吸收和消解能量；木材作为一种非均质的、各向异性的材料，表现出介于弹性体与非弹性体之间的粘弹性，当受到冲击时，也可以通过形变缓解载荷对构件的压力；当受到地震的垂直冲击波时，榫卯还可以通过“弹跳”来化解。这都使得以榫卯连接的建筑拥有不错的抗震性。山西应县佛宫寺释迦塔便是中国古代建筑抗震能力的杰出代表。
事实上，榫卯结构不仅在建筑中被大量应用，在家具中也非常常见。当然，除开榫卯结构，我们现在也有了许多新的连接方式，但榫卯结构仍然对我们的建筑设计具有重要意义。
参考文献：
[1]宋琛辉. GFRP加固榫卯节点的研究[D].上海师范大学,2016.
[2]董森森. 榫卯结构体系在现代建筑的应用研究[D].长春工程学院,2018.
[3]佟佳.中国古建筑榫卯结构在地震区运用的优势[J].现代装饰(理论),2012(04):149.
by 霜白
Q.E.R.

Q4

桥的前面都会有一块牌子，上面注明限重多少吨，如果一辆车超重过桥会导致桥塌掉吗？by 匿名

答：
对于一个装置或者建筑而言，其发生断裂的原因有很多。或许许多人都知道材料在受到过大的拉伸或挤压时，材料的受力会超过其能承受的强度极限，突然发生明显的变形（屈服）甚至断裂，这种断裂常常可以根据材料的自身属性分为韧性断裂和脆性断裂。韧性断裂就像橡皮泥一样，在断裂前会发生颈缩和部分材料的伸长，而脆性断裂就像拉粉笔一样，啪地一下就断了。
但材料的断裂原因不仅仅有过大的载荷，在许多情况下用了几十年的桥梁即使不超过强度极限也会有更大的安全风险，这多是因为另一种常见的断裂形式——“疲劳断裂”。疲劳断裂主要是受到了来回变化的受力（交变应力）所导致的。生活中常见的例子是多次在同一个地方掰弯金属丝，虽然每次掰弯金属丝并不会导致它断裂，但对同一个地方多次弯折金属丝也会最终断裂在弯折处。 此外材料也有可能在很长的时间（一般需要几十年甚至上百年）下受到较小的力（相对于突然断裂的力而言）造成过大形变而断裂，这种断裂被称为“蠕变断裂”。
在桥梁等建筑物的设计中，通常工程师会根据具体的建筑需求（如设计车流量等），考虑整个装置的强度极限给出一个极限载荷（极限应力）。但是，如果直接使用这个极限应力桥梁依旧可能会由于疲劳、蠕变等原因产生断裂造成破坏，因此通常会选取一个安全因数，并记极限载荷与安全因数的比值为最大的使用载荷（许用应力），这个载荷才是最终我们看到的限重。一般工程上会取不小于1.5左右的安全因数，安全因数越大越安全，但成本就越高。根据装置或建筑的设计安全性也会适当增加安全因数。
所以，桥梁的限重并非指桥梁上的重量一旦超过这个重量就会断裂，超重一般并不会导致马上断裂，但会给桥梁造成较大的安全隐患，长时间的超重将会缩短桥梁的寿命，并增加可能导致的安全事故风险。
最后还想提醒下大家：道路千万条，安全第一条。大家要时刻遵守交通规则哟~
【参考文献：《工程材料》《材料力学》等】
by 巨大的眼睛
Q.E.R.

Q5

如果身边的一切都静止了，原子光子等微粒都不运动了，那我们会看到什么？by 匿名

答：
这个问题细思极恐啊。
其实我们小学二年级就学过，光子不能静止，只有以真空光速c运动时它才能存在，否则光子总能量将为0，而这也就等于说它不存在。但让我们暂且回到小学一年级，设想一下如果真的一切都静止了会发生什么。
显然我们看到的会是一片漆黑，因为不再有光子撞击我们的视网膜了；我们听到的是一片寂静，因为空气分子不再振动也就无法传递声波了。但还有远比失明失聪更可怕的事情。我们知道，四种基本力是由规范玻色子传递的，其中电磁相互作用、强相互作用和弱相互作用分别由光子、π介子和中间玻色子来传递，传递万有引力的“引力子”至今还只是理论上的预言。如果这些粒子都停止运动了，基本作用力将不复存在——强相互作用的消失使得原子核分崩离析，电磁力的消失使得微观粒子无法再结合成宏观物体，我们所熟悉的世界将会淹没在基本粒子的“一锅粥”中；更有甚者，如果现在的胶子模型正确的话，负责传递夸克之间相互作用的胶子一旦罢工，夸克禁闭可能会被打破，我们就能在乱成一锅粥的宇宙中找到自由夸克了！
如果题主能够置身事外地观察这一切并能将其恢复原样的话(比如被闹钟叫醒)，那么可以肯定的是，他/她今年年底就会看到
by Eosia Leaf
Q.E.R.

Q6

仅仅在地球上发现的物理规矩，怎么就能说明整个宇宙都遵循这个规律？by 匿名

答：
这是一个好问题。毕竟人类目前生活的范围仅仅是地球（充其量太阳系），这个范围相对于浩瀚的宇宙实在不值一提，凭什么说我们的物理规律就适用于整个宇宙呢？
在发现物理规律的过程中，物理学家遵循的是经典的“假说-演绎”范式，即猜想一个物理学原理，从中推导出一些可观测的现象，再通过实验验证是否成立。这里的实验不一定局限在地球上的实验室里，宇宙本身就是一个大实验室。通过观测太阳系中天体的运动，我们可以肯定牛顿万有引力定律在太阳系的范围内是（近似）有效的；通过提高观测的精度，我们甚至可以验证广义相对论在太阳系的范围内成立（水星进动角的计算）。对于遥远的恒星，我们可以观测其光谱，从而说明量子力学规律在极大的范围内成立。通过这类光谱观测，我们还能确定宇宙中元素的丰度，从而验证一些更为基础的理论（例如大爆炸）的正确性。
同时，对于宇宙的观测，确实能对物理学的发展起到重要的推动作用。粒子物理标准模型预言中微子具有零质量，但正是通过对太阳中微子的观测，人们发现了三代中微子振荡现象，确定了中微子具有非零质量。目前理论物理上空的“乌云”之一——暗物质猜想，也正是基于对远处螺旋星系旋转角速度的测定而提出的。
所以说，物理学家总是倾向于相信，在地球上的实验室里发现的物理规律，也适用于宇宙的其它角落，这是基于经验的一种朴素信仰，但其正确与否，还是要依靠宇宙学的观测来检验。
by 乐在心中
Q.E.R.

Q7

用电池给电子产品供电时消耗的什么东西？电子从负极跑出来转了一圈回到正极去了，那我们用掉的东西又是什么？电子的动能吗？by 匿名

答：
以化学电池为例，使用电池给电子产品供电消耗的是电池自身的化学能，而在电子绕一圈运动的过程中，电子不断地会因为电阻和做功消耗动能，但是这些动能又会不断地通过电池产生的电场得到补充。所以总结一下，我们消耗掉的东西首先是电子的动能，然后电子的动能来源于电池产生的静电场的静电能，这些静电能最终又来源于电池的化学能。
放电时候，电势高的是正极（阴极），电势低的是负极（阳极），电子总是倾向于从电势低的地方迁移到高的地方。所以在外电路中，电子会从负极流向正极。但是在电池内部，电子并不应该会从负极流向正极。（虽然教科书上都是这么画的：在电池里面画一个箭头，看上去电子理所当然地就应该这么跑，但是这恰恰是电池最核心的部分，不是一个箭头那么简单的）。所以不加外力电子肯定是不会走完这电池内部的最后一小段路的，所以电池内部要想让电子循环起来，是要花一番功夫的。
这番功夫就由化学反应补足。以氢氧燃料电池为例（为了接下来的阅读，让我们复习一下化学上的一个小原理：氧喜欢得电子-电负性高，氢喜欢失电子-电负性低），原本的反应被拆分成两部分，一部分是氧吸收电子，然后进入水里，一部分是氢失去电子，然后进入水里。阳极上不是有多余的电子吗，我们就可以把氧通向阳极让氧把这些电子吸收掉，然后再让阴极的氢释放出来电子给阴极。这就完成了“电子绕场一周的最后一厘米”。
而氧虽然喜欢抢电子，它也得能够从阳极得到电子。阳极电势很高，会不那么愿意给出自己的电子，而氢是比较喜欢给出自己的电子的。所以氧和氢反应的时候非常愉快剧烈放出大量能量（一个愿给/打一个愿得/挨），而现在他们中间多了一个阴极阳极作为中间人，反应更艰难了，放热也少了。这部分少释放出的热能，就是把电子从阳极搬运到阴极的代价（这当然是我们电池的使用者愿意看到的）。
所以氢氧燃料电池就是这样，消耗了氢氧的化学能，把原本燃烧中的化学能-热能转换中的一大部分热能截流下来变成了电池阴极阳极上的静电能。其他的电池虽然反应物不一样，但是原理也是类似的。
by Luna
Q.E.R.