童年迷思：玻璃珠里的花纹是怎么形成的？| No.264

Original Frions 中科院物理所 2021-10-21

收录于话题 #问答 252个内容

 小学的时候大家口袋里总要装几个弹珠
下课后就互相比谁的珠子多谁的好看
在那时的我们眼里
一颗看似廉价的玻璃珠
却是不可多得的宝贝
就像我们普通却又难忘的童年一样
那带花纹的玻璃珠是怎么做出来的呢

Q1

为什么用塑料瓶装热水，塑料瓶会变小？不是说热胀冷缩吗？

by 铭晃

答：
这个问题得从塑料瓶的生产工艺说起。以当今使用量最大的PET瓶为例（题主所说的装热水会变小的塑料瓶一般就是PET瓶），这里简单介绍下其常见的生产工艺-吹塑成型：热塑性树脂经过处理得到塑料型胚，趁热置于对开模中，通入压缩空气，使型胚紧贴在模具内壁，经过冷却，脱模，最后获得我们的塑料制品。而像我们常用的矿泉水瓶之类的一般是注射吹塑获得的。而塑料瓶的生产过程中有两个特性值得我们注意：一是热塑性，二是内部应力（应力结构来源于大分子的取向）。而当你拿热水倒入塑料瓶中，塑料由于温度高，热塑性就会使得其具有流动性，如果你持续加热，最后塑料肯定就"抱"（收缩）成一团了（表面张力的作用）。软化的同时，内部应力结构（大分子的取向被破坏）也逐渐消失，整体就越来越像一滩“水”了。
此外，热胀冷缩指的是体积，而塑料瓶变小，其实指的是内部空间（容积）。
by Aaron Chen
Q.E.D.

Q2

把一张纸竖着并使其一部分浸入水中，为什么水面以上的一部分纸也会湿？为什么再往上一部分不会湿？

by 催更《一分钟物理》3！！！

答：
我们在No.229 Q1中提到过纸张中有大量的纤维，它们之间有极小的缝隙，因此形成了毛细管。而纸在水中是会被浸润的，毛细原理使水快速的进入纤维缝隙之间。而湿润的纸和水之间存在表面张力，同时，水面以上的水又会受到重力，以及毛细管壁的阻力（阻止水向上继续扩张），因此水会蔓延到水面以上一定高度，此时这三个力平衡，就不会继续向上浸湿了。
by Aaron Chen
Q.E.D.

Q3

冰西瓜比常温的甜吗？

by Hazellll

答：
冰西瓜永远滴神！！！没有冰西瓜的夏天是不完整的！！！
因为夏天的炎热，所以我们对冰镇的食物毫无抵抗力。本就甜美多汁的西瓜在冰镇后甜度更上一层，但这份“甜美plus”是真实存在的吗？还是我们的心理作用？事实证明，冰镇真的会让西瓜更甜。西瓜中含有蔗糖、葡萄糖和果糖等，其中果糖又被称为最甜的单糖，而果糖一共有三种类型：α-D-呋喃果糖、β-D-呋喃果糖和β-D-吡喃果糖，三种果糖中吡喃果糖相对没那么甜，但随着温度降低，吡喃果糖会逐渐转化为呋喃果糖，这样整体尝起来甜度就变高了。所以冰西瓜确实比常温的西瓜更甜，并非我们的心理作用。
参考资料：为什么冰过的西瓜更甜？
by 懒懒的下午三点半
Q.E.D.

Q4

玻璃弹珠里的花纹图案是怎么做出来的？

by 匿名

答：
不知道有多少读者的小学课间时光是与各种弹珠一起度过的，透明的玻璃弹珠平平无奇，但一旦中间带上花纹或者通体是其他颜色，一下子就变得珍贵起来。
其实不论是通体透明或是内部有花纹或是异色弹珠，它们的制作流程基本上是一样的，差别只是在于原料的成分和添加方式。
首先我们来了解一下最普通的弹珠的制作流程。简单来说就是，软化玻璃碎渣→切割原料→对切割后的原料进行成型与冷却（整个过程就像揉面、分成小剂子、搓圆）。关于具体的机械操作原理和过程可以在参考内容中进行了解。而异色弹珠可以很容易想到，其原料是彩色玻璃碎渣，除此之外就没有特别的地方了。
最后我们来揭秘内部有花纹的弹珠制作过程。这种弹珠也叫猫眼弹珠，其内部的花纹在进入生产流水线前就是一些普通的彩色玻璃。猫眼弹珠的原料也要经过软化，但不同颜色的玻璃碎渣要在不同的容器中进行软化，在切割时，彩色的部分从中间流出，透明的部分从周围包裹流下，然后在成型和冷却的过程中，弹珠会在流水线上旋转，内部的彩色玻璃就慢慢地变成了各种形状，最终形成了我们手中的猫眼弹珠。并且由于这个过程是非常随机的，所以我们几乎见不到完全一样的猫眼弹珠。
参考内容：玻璃球里的花纹是怎么弄进去的？
by 懒懒的下午三点半
Q.E.D.

Q5

请问淡奶油冰冻后为什么不能打发了？

by 匿名

答：
我们先简单讲一下奶油打发的原理，奶油里主要是乳脂和水，乳脂一般以乳脂肪球的形式存在于奶油中，而它表面存在一层乳脂球膜（由蛋白质磷脂等组成），而打发奶油的过程就打破了这层膜，导致内部的脂肪流出来，而乳膜则趁机形成了新的网络，把内部少量的水和空气包围了，就形成了奶油泡沫。简单点说，其实就是液体形成稳定的气泡结构裹住空气，因此液体的黏性要好一些，表面张力也要适量小一些(加糖也就是这个作用)。
而淡奶油冰冻后，内部的水分因为结冰的缘故，这时候其实和搅动类似，乳脂球膜又一次被搅散了，内部的脂肪流了出来，乳脂球膜由由于受到了四面八方的挤压，许多的球膜都重新融合到了一起，相当于此时内部虽然还是网络，但是没有了容纳空间，最后就变成了脂肪聚集在一起，水聚集在一起，油水分离了！
by Aaron Chen
Q.E.D.

Q6

为什么可以单纯通过身体用力来使秋千荡得更高？能量从何而来？

by 匿名

答：
荡秋千过程中人可以通过有规律的站立、蹲下使得秋千越荡越高，这一具体过程为：当秋千荡到最高处时，人由站立转为蹲下、降低重心，这一过程使得秋千摆的等效摆臂变长，这样秋千向最低点摆时能有更大的速度，当秋千摆到了最低点时候，人再站起来，此时相对于摆动轴而言转动惯量变小了，由于角动量守恒，秋千与人构成的系统动能会增加，而且此时等效摆臂长也更短了，更利于系统往上摆高，以此规律反复操作可以使得秋千越摆越高，直至到达由人力、耗散等因素决定的上限值。这一过程的能量来自于系统的内力做功，也即人在站立蹲起的过程中增加了整个系统的势能，从而可以使得秋千越摆越高。
by Crist
Q.E.D.

Q7

为什么铁是灰色而铁粉却呈现黑色？

by Qz

答：
首先，金属中自由电子形成了一片“海洋”——等离子体，决定了金属对低于其等离子体频率的光子具有较高的反射率（大于等离子体频率的光子会被吸收）。而大部分金属的等离子体频率都在紫外光区，因此表现出光泽。当然，这一过程和具体的固体能带也是相关的。同时，光滑平整的界面又保障了其镜面反射的特点，以让人眼观测到金属光泽。而粉末则由于反射面随机取向，因此镜面反射被抑制，导致反射光随机取向，因此相比金属光泽会来的黯淡不少。至于铁为什么是灰色的，我们可以查一下它的可见光反射率就知道了，铁在400-700 nm的可见光波段的反射率大约都是60%，因此是灰色的。类似的，我们常见的银可以反射90%以上的所有可见光，所以是银白色的。
参考资料：金属和石墨的“金属光泽”是怎么产生的？
by Aaron Chen
Q.E.D.