除了凌波微步，还能怎样在雨天走路不湿鞋？| No.389
不论是晴天还是雨天
我都想保持鞋子清洁
所以到底该怎么办才能
优雅地减少雨天中鞋子的肆意甩水呢？
Q1
现在很多饮料店都使用可降解塑料吸管，真的可以降解吗？需要多久呢？
by 匿名
答：从技术上讲，所有塑料都是可降解的。但出于实际目的，只有那些在较短时间内（通常是几周到几个月）降解的材料才被认为是可降解的。例如有研究认为，聚乳酸制成的食品杯只需60天就可以完全降解。
由于高分子的降解需要一定的条件（这些条件使得高分子降解缓慢），而我们又生活在一个充满微生物的世界，因此科学家想到我们为什么不让微生物帮助降解塑料呢？如果我们能制造出微生物可以“吃掉”的实用高分子，那么就可以大大加快降解速度，且微生物能够“吃掉”的成分通常对人体也是友好的。
市面上所说的可降解塑料一般是指可生物降解塑料。生物降解通常指的是可以在一定生物活性环境下降解转化为CO₂和H₂O的过程，该过程基于微生物使用聚合物材料作为其生物能量来源。
聚乳酸PLA是一种经典的可生物降解塑料，我们以PLA为例来看一下可降解塑料的降解机理。
聚乳酸的降解分成两个阶段：1）首先是高分子经生物和非生物作用水解成乳酸单体；2）乳酸单体在微生物的作用下降解成二氧化碳和水。PLA降解通常涉及到酯键的断裂，根据诱导降解因素类型的不同，可以将PLA降解分为非生物过程(即水解、热降解、氧化、光解)和生物过程(微生物降解、生物酶降解)。
这里为了便于更清晰地讨论，笔者把降解分为①在土壤中的降解和②在海洋中的降解。
土壤中主要的降解机理：纯化学水解（例如比较熟悉的酯基的酸碱水解）➕微生物降解（堆肥条件下还主要包括热降解过程）
纯化学水解:PLA材料浸入水性介质中，首先发生材料吸水。水性介质渗入聚合物基质，导致聚合物分子链松弛，酯键开始初步水解，分子量降低，逐渐降解为低聚物。聚乳酸的端羧基(由聚合引入及降解产生)对其水解起催化作用， 随着降解的进行， 端羧基量增加， 降解速率加快， 从而产生自催化现象，使其水解为乳酸小分子。
微生物降解:生物降解是指在一定的时间和一定的温度、湿度条件下，高分子被微生物(细菌、真菌、藻类等)以及其分泌物酶促作用或其他化学因素作用下降解成H₂O和CO₂等无机小分子的过程，酶促降解比水解降解更快。
对于PLA微生物降解机制有两种解释：一是作为酯类聚合物，PLA酯基破坏，发生断链反应，得到较低分子量的PLA，这些低分子量的PLA在酶的作用下，降解生成H₂O和CO₂；二是当PLA会在其相对分子质量下降到一定值后变脆，当低于1万g/mol时，得到大小形状存在差异的分子碎片，再由微生物代谢作用代谢为H₂O和CO₂释放。总之，在酶的作用下，PLA解聚形成乳酸，通过微生物的呼吸、尿液和粪便以无机小分子形式排出体外。
堆肥:PLA在堆肥条件下比在土壤或海水中降解快。堆肥是一种生物环境，在其中有机物被分解成二氧化碳、水、无机盐和腐殖质。据报道，在堆肥条件下，PLA在50~60 ℃下的降解时间通常为45~60天。堆肥具有等于或大于PLA的Tg的温度，特别是在高温相（≈60 ℃），可以提高PLA的降解速率。
海水中主要的降解机理：光氧化降解（或称为紫外降解）
光氧化降解:商品化的高分子量PLA在海洋环境中降解缓慢，主要是因为水温较低(<~30℃)。根据光波波长的长短，PLA会发生不同的降解反应，从而造成不同的降解速率和降解机理。在较短波长的光照下，PLA的降解主要是Norrish I或Norrish II反应，但当PLA处于波长大于300 nm的光照下时，PLA就会发生降解反应。
在紫外光的照射下或通过热分解，杂质会形成能与PLA进行反应的自由基，该种自由基会夺走PLA的H原子，使PLA生成自由基并进一步反应生成过氧化自由基，而过氧化基又会继续夺取PLA中的H原子，发生链传递反应，由于过氧化氢物极不稳定，易分解形成羟基和烷氧基，烷氧基是光氧降解的中间体，经过几种不同方式的断裂分解，形成小分子化合物，从而达到降解的结果。
by opzk
Q.E.D.
Q2
为什么雨天有人走路会把水甩到鞋头，有人甩到鞋后跟？有没有一种走路方法或者鞋底材料不甩水？
by 匿名
答：雨天走路甩水是一个非常令人苦恼的问题，整个过程涉及到了许多因素，大体可以分成两个部分，其一与走路的人有关，比如走路的姿势、步幅大小、速度快慢等；其二与鞋子有关，如鞋底的材料、鞋面的柔软程度、鞋底的形状等等。
为了能够简单地说明甩水到鞋后跟和鞋头的过程，不妨以人为动参考系建立刚体转动模型，这里我们忽略了其他的影响因素，只考虑水滴的重力和鞋底对其的吸附力。下面对甩水到鞋头的过程进行分析。
图中给出了人走路的过程，我们假设小人的膝盖A点在水平线上做平动运动，速度为，于是可以将小人视为平动参考系，附着在鞋底的水滴W视为动点，它附着在鞋底绕着膝盖A点以恒定的角速度转动，产生牵连速度，其中为脚尖B与转动中心A点之间的距离，假设其大小始终保持不变。
当我们考虑水珠W相对于鞋底有一个向前的相对加速度时，此时需要在垂直鞋底方向上满足:
否则，水滴会做减速运动或者保持不动，其这意味着转动速度越大，水珠越容易相对鞋底向前加速滑出。当B点的水珠相对于鞋底存在相对速度时，如果鞋底吸附力不够大，满足时，水珠会脱离鞋底向前飞出，从而弄湿鞋尖。
其中为科里奥利力加速度，它是由于在转动参考系中物体做相对运动而产生的加速度。有慢镜头画面显示，飞出的水珠会在鞋前端以75°左右的角度向前抛出，当脚进一步往前落地时，被抛出的水也恰好落在鞋尖上[1]，这也解释了为什么雨天走路会弄湿鞋尖。至于水为什么会以这种方式运动涉及到更复杂的流体力学问题，目前还没有进一步的研究结果。
甩水到鞋跟的过程与上面类似，当我们后腿向后摆动的速度和幅度过大鞋底的水珠就会做斜抛运动，滴落在裤脚上，具体计算过程可以参考这篇文献[2]。该文献也给出了一些防止溅水的走路方式，比如可以正步走、外八字走、内八字走，还可以选择疏水材料做鞋底或者在鞋底加上排水花纹等等进一步起到防止溅水的作用。
参考资料：
脚后跟先着地 雨天走路为什么总会打湿鞋尖_新闻频道_央视网(cctv.com) 杜雨函,周子玄,许定生等.复合运动合成力学指导下的防溅水鞋子设计因素探究[J].工业设计,2017(02):52-54. by Sid
Q.E.D.
Q3
为什么有一些石头，表面灰蒙蒙的，用水冲一下后会变得晶莹剔透，但水分干了之后依然和原先一样灰蒙蒙的呢？
by Tiver
答：如果你仔细观察石头表面可以看到它并不是平整光滑的，而是有许多小的凹陷。光照射到石头表面会被杂乱无章地反射到各个方向，进入人眼的光线较少，石头看上去就会显得灰蒙蒙的。
把石头用水冲一下后，水会填满石头上的小凹陷，使其表面变得平整，起到类似于抛光的效果，被反射的光更多地进入人眼，石头看上去就会变得晶莹剔透。等水分干了后其表面又恢复到原来坑坑洼洼的样子，自然也显得灰蒙蒙的。
by Sid
Q.E.D.
Q4
为什么热空气会上升？
by 匿名
答：想象一下你是在一个冬日的早晨，坐在一杯热咖啡旁边。你看到从杯子里升起的蒸汽，那是不是挺迷人的？这其实就是热空气上升的一个小例子。那为什么热空气会上升呢？
首先，我们得知空气是由无数微小的分子组成的，这些分子无时无刻地不在进行无规则运动，并不断发生相互碰撞，这就是分子热运动现象。它们进行热运动的速度和碰撞的强度取决于其温度。当空气变热时，这些分子就会撞击得更猛，更有活力，就好比舞会上的人们随着音乐节奏越来越快地跳舞，他们会需要更多的活动空间。所以，热空气会膨胀，变得比较“稀疏”。
这时，热空气相比于周围的冷空气密度更小。根据阿基米德原理，当一个物体（在这个情况下是热空气块）被置于流体（冷空气）中时，它会受到一个向上的浮力，其大小等于物体排开的流体的重量。因为热空气的密度比周围的冷空气低，它排开了比它自身重量更多的冷空气，因此，它受到一个向上的浮力。
浮力超过了重力，因此热空气上升。随着热空气上升，它可能会继续加热、膨胀和进一步上升，或者它可能会冷却并最终停止上升。这个上升的过程是对流现象的一部分，是大气中热量和其他物质转移的主要方式之一。
上升的热空气在大自然中创造了很多美丽的天气现象，比如云朵和暖流。这种热空气上升的原理，也是热气球能够飞上天空的原因。热空气比冷空气轻，因此热气球足够热，它就会带着乘客缓缓上升，飘向天空。
by 鱼非我
Q.E.D.
Q5
声子作为一种准粒子，它的自旋为什么为什么是零？是因为振动模式是纵波？
by 小小小朱
答：声子是我们用来形容晶格振动的“准粒子”，它描述了晶格振动的集体激发。从这个角度出发，我们直观上期待声子应该是一种玻色子：晶格的振动和振动能够不断地累加，叠加之后仍然是晶格的振动。因此声子的自旋必然是偶数。
自旋的定义必须借助旋转操作，因为旋转群在真实晶体中不是连续的，因此很难精准地定义自旋。
经验上来看，声子可以分为纵向声子和横向声子，分别对应横波和纵波。因为声学支声子在各向同性的弹性介质里一个方向只有一种纵波模式，所以我们通常认为纵向声子的自旋为0，而横向声子能够对应两种振动模式，与光子类似，因此我们认为其自旋为1（只有在长波极限下的声学支声子没有质量才能够做类似的类比），关于不同类型的声子是否能够携带自旋，角动量，仍然是一个开放的问题。
Jungfleisch, M.B., Hoffmann, A. A new twist on phonons. Nature Phys 14, 433–434 (2018). Levine, A.T. A note concerning the spin of the phonon. Nuovo Cim 26, 190–193 (1962). Tiwari S C. Do phonons carry spin?[J]. arXiv preprint arXiv:1708.07407, 2017. by 单身男青年
Q.E.D.
Q6
世界上有3个面的骰子吗，即扔出骰子后有且仅有3个面可能朝上，且每个面朝上概率相同？
by 茂茂猪
答：对于三维空间而言，正多面体有且只有五种，包括正四面体、正六面体、正八面体、正十二面体和正二十面体。因此是不存在一个“正三面体”的通常意义上的骰子。
但是我们放开限制，不再要求骰子的每一个面是平面，而是选用曲面来拼凑，那么就能构建出该种的多面形“骰子”，多面形（Hosohedron）不由平面拼接，而是由月牙形或球弓形的球面拼接，并且使得每一个拼接的图形都共用相同的两个顶点。正多面形用Schläfli符号记做{2,n}，n就是正多面形的面数。正三面体如下图：
by 单身男青年
Q.E.D.
Q7
为什么衍射现象只有在狭缝的大小和波长近似的时候才最明显呢？
by 匿名
答：衍射是光波在穿过狭缝、小孔或者类似圆盘之类的障碍物后，会发生不同程度的弯曲传播，而不是再直线传播的现象。
衍射起源于光的波动性，在任何情况下都存在。但是当狭缝的宽度远大于光的波长的时候，用几何光学的语言来说，此时光沿直线传播，衍射效果很不明显，用衍射的语言来说的话则是，将几何光学的象认为是线光源衍射的各级衍射条纹的集合，所有的衍射条纹均向中央聚拢，密集得无法区分，只显出单一的明条纹。
当狭缝的宽度小于光的波长时，此时，缝越窄，衍射的效果就越强，透射光线不沿直线传播的趋势越明显，衍射图样更倾向“弥漫”。但是当缝过于窄的时候，那么通过狭缝的光的强度就会变小，而衍射条纹则又倾向于会散布在更广大的区域，甚至在观察区域被单个的零级条纹所覆盖，因此衍射图样就会变得非常暗淡，从这个意义上说，衍射图样就不那么容易看见了。
在这两者之间，波长接近缝宽的时候，衍射条纹是既明显又容易观察。
by 单身男青年
Q.E.D.
Q8
真空中相距为r的两个等量同种点电荷1和2，以相同的速度v向相同的方向运动。既然v的大小取决于所选择的参考系，那么不管v有多大，2受到的斥力都应该等于静止，即v=0时的库仑力。可v不等于0时，1会激发出一个磁场，2会额外受到一个大小不固定（随v变化）的洛伦兹力。那么在不同的参考系中，2的受力情况就不一样了。为什么会这样？
by 匿名
答：需要注意的是，在不同参考系里，受力的“大小”，是不相同的，因为作用力不是一个洛伦兹不变的量，但是力引起的“效果”是相同的。注意，此处带电粒子所感受的力，在静止参考系里，仅有电场作用力，而在运动的参考系里，电子受磁场和电场共同的作用力。下面仅以最简单的情况做一计算验证：
假设电子分别在坐标原点，和y轴(0,l,0)处。运动参考系为沿x轴负方向以v运动。在静止参考系里，很明显可以看出两粒子之间作用力为库仑力F₁=q²/(4πε l²)，第二个电子受力为沿y正向。在运动参考系里，两电子以相同速度v=cβ 平行于x轴匀速运动。可以计算得到原点处电子在另一电子处产生的电磁场为E=q/(4πε√(1-β²) l²),沿y方向，B=1/c² v E ,沿z方向。因此另一电子受力F₂=q(E+ v x B ) =q²√(1- β²)/(4πε l²), 沿y正方向。
经过洛伦兹变换回第一个参考系后，结果与静止参考系相同。
by 单身男青年
Q.E.D.
Q9
石头不是散热快吗？为什么石锅拌饭能保持加热？
by 匿名
答：实际上，石头是很好的保温隔热材料，石头散热不快。
笔者很喜欢看贝爷的荒野求生，在沙漠昼夜温差大的情况下，求生者会选择睡在石头围成的石堆中。因为石头的比热容比较大，在白天长时间的吸收热量，缓慢升高温度，晚上则可以均匀的散发热量给求生者以温暖。
在建筑领域，石头作为建筑物的隔热材料，用于改善建筑物的保温效果，还可以用于地板和墙壁，使室内温度更加稳定。
石锅拌饭能够保持加热是因为，石锅在从炉灶中取下来时，吸收了大量的热量，在散热的过程中可以持续的为食物加热，但是加热的时间也不是持久的，基本上一顿饭的功夫，温度就下降了。
以上是由BBC和B站等视频资源作为参考。强烈推荐贝爷的荒野求生系列。
参考资料：
by 蓝多多
Q.E.D.
Q10
为什么煤气罐里的煤气烧完之后，倒着放还能再用一会儿？
by 匿名
答：我们常常会看到这样的生活场景：在一罐煤气快用完的时候，会去摇晃煤气罐，或者干脆将煤气罐放倒，意图来为其续命，延长使用时间。这种行为是很不安全的！
煤气罐使用完后不能放倒继续使用的主要原因是安全性考虑。煤气罐通常用于存储压缩气体，如液化石油气。这些气体在液体状态下被储存，使用过程中是液气共存的形式，下部为液态，上方是气态的。气通过减压阀门输送出来，较为稳定，燃烧是安全的。
当我们用手去摇晃煤气罐，或者放倒在地上滚动的时候，会导致输送出来的气不稳定，我们会看到煤气灶上面的火焰忽大忽小，有可能发生爆燃的现象。煤气罐快使用结束时，底部仍然会残留少量的气体和液体，当放倒煤气罐时，减压阀对液体是无能为力的，一旦流出管道，在空气中会瞬间气化，体积快速膨胀，如果旁边有火源，就会瞬间爆燃。
因此，为了确保使用煤气罐的安全使用，我们应当在使用完毕后妥善存放，保持正立的状态。同时，在使用煤气罐时，请遵循相关的使用和安全规定，不要冒险摇晃，放倒使用，以降低潜在的危险。小伙伴们在生活中遇到了，一定要及时制止哦，防止意外的发生。
by serendipity
Q.E.D.
Q11
保温杯为什么能保温？
by 匿名
答：在寒冷的冬天，装一杯温水，一整天都是热的，这种感觉简直不要太幸福！那保温杯是怎么实现保温的呢？这就得从物理学中热量的传播说起~
热量的传播主要有三种途径：热传递，热辐射，热对流。如果把这三个问题都解决了，保温保冷的效果也就实现了。我们以不锈钢保温杯为例，剖析一下保温杯的组成构造：
组成不锈钢保温杯的成份从上到下通常有以下几种：杯盖，外层，真空层，内胆等部分。让我们一起看一看保温杯是如何解决热量传播问题实现保温效果的：
1.热传递保温杯杯身都会进行抽真空处理，真空状态下会隔绝热传递。
2.热辐射保温杯双层的夹层都会镀铜或镀银，以形成锁热网，减少热辐射造成的热量损耗。
3.热对流保温杯杯体采用双层密闭结构，就可以避免杯内热量与外界空气形成对流，从而减少热对流。
减少了热量的传播，就可以实现保温或者保冷的效果了，小小的保温杯是不是让你感叹，有用的知识又增加了呢？快拿起手里的保温杯端详一下吧！
by serendipity
Q.E.D.
Q12
电力系统中的“接地”本质是什么？飞机或者轮船上是如何实现“接地”呢？
by 匿名
答：接地的操作是为了保护操作人员人身和设备的安全，防止触电，高压击穿等事故，把设备的金属底盘或外壳链接地面，利用大地作回路的安全措施。
在实验室等高精度要求的环境里，接地往往也起减小因不同设备电位不通产生的电信号噪声的作用。我国专门有国标《GB 14050-2008系统接地的型式及安全技术要求》对各类接地进行要求和规范。
接地其实就是将雷电或者其他因素引起的高压或者静电，通过接电线引入地面。当然接地本身不必须链接地面，接地实质上在做的，是链接高阻的设备和另一条低阻的路径，令潜在的不安全的电流能够流出。
飞机上的电气系统接地的方式就是链接飞机的机身。飞机的机身通常是用铝等金属材料制作，电阻很低。大多数飞机还设计有静电放电器，将多余的电释放到大气中，避免雷击的伤害。
大海本身能起“大地”的作用，而船只上通常也会设计专用的接地电路。
by 单身男青年
Q.E.D.
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编辑：Gyoku
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