三角形具有稳定性，那为什么我们几乎看不到三条腿的动物？| No.378

Original Frions 中科院物理所 2023-12-30

神话传说中
不乏三足金乌等三腿动物
为什么在自然界
几乎见不到三条腿的动物呢
不是说三角形具有稳定性吗

Q1

如果超导材料电阻为零的话，欧姆定律是不是就不适用了？那此时适用的是什么定律？

by 雨街上的夜行米民

答：
物理学是一门实验科学，让我们从实验上考虑这个问题。
电阻不是一个可以直接测量的物理量，中学物理使用伏安法通过直接读取电流和电压测电阻。超导实验室中测电阻的方法也与之类似。将待测样品磨成规则的薄长方体，使用类似电压表内接的方法连入电路。使用恒流源将恒定电流通过样品。由于样品尺寸只有约1mm，并且电阻率（即使在未进入超导的正常态）也不很大，所以电阻远小于电压表内阻，电压表内接的误差完全可以忽略。仪器使用样品两端的电压差除以电流即可得电阻。在超导态，样品两端的电压差在噪声等误差允许范围内为零。因此实验上就是使用欧姆定律测超导体电阻。
需要注意，理论上欧姆定律R＝U/I可以视作电阻定义式，适用于任何物体。问题的困惑可能在于I＝U/R在超导态没有意义，但这并不是规范表述的欧姆定律，电流的定义并不依赖电阻。
by 藏痴
Q.E.D.

Q2

为什么陶瓷盘子和食物一起放在微波炉里加热，盘子不会变烫？

by 非匿名

答：
微波炉顾名思义就是可以产生“微波”的炉子。微波是一种特殊的“光”，和可见光一样是一种电磁波。放在微波炉的食物中含有水分。水分子是极性分子，一头带正电，一头带负电。
水是极性分子 | 图源网络
当水分子遇上电场，它会调整方向。当电场转动起来，会带着水分子一起振荡。由于微波电场的转动频率恰好与水分子本征频率一致，水分子的转动始终会被转动的电场加速，从而不断获得能量，这就是通常所说的“共振”现象。“共振”过程中，水分子振荡得越来越剧烈，能量越来越高，水温也就升高了。食物中的很多分子是和水分子相似的“极性分子”，所以可以被升温加热。
而盘子大多是陶瓷制作的，微波频率与分子本征频率不一致，不会共振升温，所以不会变烫。要注意，铁盘和不锈钢盘不能放进微波炉，因为铁、铝器皿放进微波炉里加热时会产生电火花并反射微波，既损伤炉体又不能加热食物。
by serendipity
Q.E.D.

Q3

三角形具有稳定性，那为什么我们几乎看不到三条腿的动物？

by 匿名

答：
动物基本都是左右对称的，这在生物学中有自己的一套理论解释，这里我们只聊聊力学。
三角形的稳定性更多是指在受到面内扰动时不易变形，而腿的支撑力实际上主要是垂直于三足形成的平面。这种情况，真正稳定的是“百足之虫死而不僵”。如果你骑过三轮车，就会发现三轮车并不容易掌握平衡，甚至很容易侧翻。三脚凳的稳定性也远不如四脚凳。
三角形的不易形变是指在这个平面内
退一步讲，严格来说三足只是三个不共线的点，三点之间并没有边相连，并不能构成三角形——三角形的构成要素是包含三个角和三条边的。单论稳定性，这样的三个点也不如真正的三角形稳定。
三条腿在稳定性方面并不成立，其实在运动模式方面也很难成立。要知道，对于生活于自然界的动物而言，最重要的不是站立的时候有多稳，在捕猎中的运动能力也很重要！对于双足动物而言，主要的模式有人类一般的奔跑，还有袋鼠一般的跳跃。对于四足动物而言，则有四种主要的运动模式，参考问答No.318期Q4，例如优美的小跑：
但是俗话说两个和尚挑水喝，三个和尚没水喝，很难有一个充分利用三条腿的运动模式（生物进化是吝啬的，不大能允许一个只起偶尔辅助作用的庞大肢体存在，不然尾巴其实也能看做第三条腿）！
by 井筠
Q.E.D.

Q4

为什么行星围绕恒星运动的轨道都是椭圆形，没有正圆形的轨道吗？

by 匿名

答：
我们从牛顿力学出发来看这个问题。两体运动的问题可以化为一个物体在中心力场中的运动问题，伯特兰定理告诉我们，只有两种中心力场存在封闭轨道，其中一种是平方反比力(力的大小随距离呈平方反比)，万有引力就是这种力。对于这样的力场，封闭轨道一定是椭圆(当然也包括正圆)，因此正圆是有可能的。但是要考虑可能存在的扰动。假设一个行星正绕其恒星作圆周运动，某时刻一个扰动使这个行星具有了一个远离恒星的速度分量，可以假定该扰动存在时间很短暂，且不足以使行星脱离恒星引力。扰动结束后，由于行星具有远离恒星的速度分量，它将偏离圆轨道，而此时行星只受恒星引力作用，其轨道只能是椭圆轨道。保持圆轨道是十分困难的，陨石或小行星撞击对行星的扰动，以及绕同一恒星运动的其它行星的扰动都可使行星偏离圆轨道。
by 利有攸往
Q.E.D.

Q5

拉伸为什么能缓解酸痛和疲劳？原理是什么？

by 匿名

答：
作为运动爱好者，小编非常喜欢运动后用拉伸带来的酥麻与舒畅冲淡肌肉的酸痛！究其原因，你可能经常听到这样的表述：拉伸可以放松紧张的肌肉，优化局部的血液循环，从而促进放松和恢复。这样的表述不能说错，但是比较宏观，并不能让人满意。实际上，这背后暗藏着肌肉神奇而美妙的结构！
而与拉伸神奇效果有关的特殊结构，就是肌肉感受器！在肌肉中分布着各类神经，用于调节肌肉运动，在不同部位实现和承担着不同的功能，也被称作肌肉感受器。其中有两种感受器地位特殊，分别被称作肌梭和腱梭（高尔基腱器官），他们都在肌肉被拉长时都可能起到作用，如图。
肌梭腱梭示意图，图自：https://zhuanlan.zhihu.com/p/21929327
肌梭其实大家很熟悉，它分布在骨骼肌腹上，可以感受肌肉突然的长度变化，并让肌肉发力来应对这种变化，以避免急性的肌肉或者关节形变损伤。肌梭负责应对比较迅速的变化，响应也很快，比如大家熟知的膝跳反射就是肌梭在起作用！而腱梭则负责感受肌肉的张力变化，当面对肌肉被持续长时间强制地拉长时，肌梭式的“反抗”带来的收缩就不经济了，可能会让肌肉在长时间收缩中受伤。于是，腱梭选择了另一条路：让肌肉躺平，主动地放松肌肉，伸展肌肉来适应这种拉长！可以看到，肌梭和腱梭是在面对不同情形时的自我保护策略，而腱梭的这种保护，可以被我们有效利用，用以运动后的放松。
基于以上原理，大家也可以理解现在的主流观点：运动前更推荐动态拉伸，运动后更推荐静态拉伸。拉伸带来的肌肉放松，不仅能促进肌肉恢复，也能避免肌肉长期紧张导致的关节问题！怎么样，人体是不是非常伟大！当然了，拉伸也不是越多越好，也不能作为唯一的手段，泡沫滚轴和筋膜球也是很好的选择。愿所有的运动爱好者一起，科学放松，无伤运动！
by 小范
Q.E.D.

Q6

空气中氮气的占比最大，但为什么生物没有进化出呼吸氮气生存呢？

by 设置的设置

答：
因为氮气比氧气稳定，大多数氮化物的稳定性也比相应的氧化物强，所以氮气相对氧气不容易发生化学反应。
绝大多数情况下，氮气和氧气这种双原子分子要想发生化学反应，需要先吸收能量分成两个活化的原子。将1mol氮气全部活化需要吸收941kJ能量，而活化同样多氧气只需要436kJ。因此氧气远比氮气更容易发生化学反应。因此，选择利用氧气而不是氮气，可以让细胞更容易发生化学反应进行生命活动。事实上，氮气很难参与化学反应，以合成氨为例，想要用氮气和氢气发生反应，要么需要在空气中放电，要么需要在存在催化剂的条件下使用高温高压，这都不是细胞内的温和条件所能达到的。
类似地，硅在地球表层的含量远多于碳，但由于硅氧键远比碳氧键稳定，所以我们选择吃有机物而不是啃沙子。
by 井筠
Q.E.D.

Q7

为什么新买的手表过了一段时间后时间就不准了？

by 要考剑桥的小姐姐

答：
手表一般分为机械手表和石英手表两种，两种的工作原理不同，时间不准的原因就不同。
对于机械手表来说，一般是动力储存不足，现在的机械手表一般都是靠手部的晃动上弦，因此若运动不足则可能造成动力不足。二来可能是由于撞击、机油干以及磨损等原因导致的齿轮配合不畅，导致转动部件的摩擦阻力变大导致。
石英是一种特殊的压电材料，给石英通上电之后，石英会以稳定的频率震动，这个频率为32768Hz，即1秒震动32768次
对于石英手表来说，其原理是通过压电效应使得石英产生32768赫兹的振荡，通过数字电路将振荡频率化为1赫兹的信号电流并放大后驱动指针转动。因为石英振荡频率固定且十分精确因此可以制作为手表。但是这个频率会受到环境条件的影响，比如，电池电量不足，或者由于撞击、潮湿进水等原因破坏电路/机械器件，还比如温度等。此外从理论上来说，石英振荡的误差为万分之一秒/秒-十万分之一秒/秒，即每天的误差在0.5秒左右，一个月之后就会差半分钟。
by opzk
Q.E.D.

Q8

为什么打雷时有时雷声持续比较长而沉闷，有时短促而响亮？打雷发出声响的原理是什么？

by 匿名

答：
雷声是由闪电周围的空气急剧膨胀产生的冲击波在大气中传播引起的，由于过热空气膨胀的速度超过了音速，因此产生了类似于音爆的效果[1]。我们听到的雷声主要取决于几个因素，如观察者与闪电的距离、闪电的形状、雷声传播过程中空气的温度和湿度以及地形障碍特征[2]。
关于闪电的距离和形状可能出现的情况有：
如果闪电离观察者很近，雷声会短促而响亮，因为冲击波还没有来得及扩散和减弱。
如果闪电距离观察者很远，雷声就会又长又沉闷，因为冲击波已经传播了很远的距离，并被大气条件扭曲了。
如果闪电分叉或分支，雷声会不规则且噼啪作响，因为闪电通道的不同部分会产生不同的冲击波，相互干扰。
如果闪电是垂直或笔直的，雷声就会平滑而隆隆作响，因为冲击波会更加均匀和连续。
关于雷声传播过程中受到的影响：
空气的温度和湿度会影响声音的传播速度以及声音被吸收或折射的程度。温暖的空气能让声音传播得更快更远，而潮湿的空气则能让声音更响亮更清晰。但是，如果声音传播路径上的温度或湿度发生变化，就会造成声音失真或干扰。
地形障碍物导致的存在的回声也会改变雷声。建筑物、山脉、树木或其他物体会反射或散射声波，产生多重声音或混响。这会让雷声听起来更加复杂或混乱。总之，雷声是由于空气在闪电的极热作用下急剧膨胀而产生的，而雷声的特征取决于与闪电本身及其传播过程中有关的各种因素，你学会了嘛？
参考资料
What causes thunder?
Why Does Thunder Sound The Way It Does?
by 青春小花🌸
Q.E.D.