气泡音是怎么发出来的？ | No.429

Original Frions 中科院物理所

2024-11-02

迷人又沙哑的气泡音

有的人欲罢不能

有的人避之不及

到底是如何发出来的呢？

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Q1 如果一个物块在光滑水平面上和墙发生弹性碰撞，物块会原速率弹回，但这时物块的速度方向就改变了，为什么还说动量是守恒的呢?
Q2 为什么圆珠笔的笔墨弄到手上，大量清水很难洗掉，而有的笔墨能洗掉？
Q3 高楼上的闪烁红灯是干什么用的？（提醒飞机吗？）？
Q4 水面为什么有的地方像磨砂有的地方像镜面？
Q5 如果电器不接地线，其金属外壳就会带电，这个电从何而来？地线又是如何把电导走的
Q6 两束波相抵消后能量去了哪里？
Q7 高铁开过的轨道，下面的石头颜色偏黄是什么原因引起的？
Q8 气泡音是怎么发出来的？

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Q1

如果一个物块在光滑水平面上和墙发生弹性碰撞，物块会原速率弹回，但这时物块的速度方向就改变了，为什么还说动量是守恒的呢？

by 飞

答：
动量守恒定律主要是说：一个封闭的体系，若没有受到外力，那么无论内部的物体如何相互作用，体系的总动量都将守恒
假如我们考虑一个比较理想的模型：遥远的深空只有一面墙和一个小球（受到其他物体的力可以忽略），那么墙和小球组成的系统总动量将是守恒的，因为小球撞击反弹之后，墙也会以一个较小的速度反向运动，保持体系动量守恒。例如一个1kg的球以+100m/s的速度垂直撞到静止的1000kg的墙上，那么之后墙将以+0.2m/s的速度运动，球以-100m/s的速度运动。体系总动量守恒。
在实际生活中，由于墙体是和整栋楼甚至整个地球连接在一起的。撞击瞬间要把小球以外整个地球和小球看作一个体系，这样的话动量就守恒啦。而我们知道地球的质量足够大，引起的速度变化足够微小。而且地球上每时每刻每处都在发生各种碰撞，相对运动等等，小球撞击对地球的影响就被淹没在这些随时随地无处不在的碰撞中啦。
by 渣渣昊
Q.E.D.

Q2

为什么圆珠笔的笔墨弄到手上，大量清水很难洗掉，而有的笔墨能洗掉？

by 仰望星空

答：
商店货架上琳琅满目的圆珠笔常常会人挑花了眼，除了各式各样的外观设计，仔细观察会发现圆珠笔还可以分为：水性笔、油性笔、中性笔和中油笔。下面我们讲讲它们有什么区别。
圆珠笔的墨水由溶剂、着色剂、添加剂等材料组成。如果使用的是油类或挥发性有机溶剂，则归类为油性笔；如果以水为主要溶剂，则归类为水性笔。油性墨水难溶于水，不易褪色或化开，且油墨的附着力较强，常常被用来书写需要防水的文件。水性墨水具有较少的渗色，因为纸张对水的吸附性强，所以书写的手感比较顺滑、粘度低，也不容易穿透到纸张背面。不过用水性墨水写过的笔迹，碰到水会晕染开，而且也比较容易断水。中性笔则介于水性笔与油性笔之间，它结合了二者的优点，是现在最常见、最主要的书写工具。中油笔的墨水成分更接近油性笔，但它的粘度介于中性笔和油性笔之间，因此在保证流畅度的同时，墨水的防水性和耐久性也会比中性笔更好。
除此之外，着色剂的不同也会对防水性有影响。着色剂可以分为染料和颜料两类，溶于溶剂的着色剂称为染料，不溶于溶剂的称为颜料。染料墨水的防水性较差，但颜色更加鲜艳，保留时间较长；颜料墨水则具有更好的耐光性和防水性，但容易受到外界环境的影响。我们日常所用的中性笔大多使用颜料墨水。了解了圆珠笔的分类，相信你应该知道为什么有的墨水容易洗掉，有的墨水很难洗掉了吧！
by Sid
Q.E.D.

Q3

高楼上的闪烁红灯是干什么用的？（提醒飞机吗？）?

by 小于

答：
在城市中，高楼林立，很多的高楼上面都会安装一些红色的小灯，在夜晚执行着使命。它不是为了装饰，而是为了避免飞机或一些其他的飞行器和建筑物碰撞，因此被叫作做航空障碍灯，是一种标识障碍物的特种灯具。
图源网络
那飞行员如何将它和一般用途的照明灯区分呢？于是民航局对航空障碍灯做出了明确要求。航空障碍灯一般分为低光强、中光强和高光强三种，不同种类分别适用于不同高度的建筑物，也可以配合使用。我们看到的红色小灯可能为恒定发光的低、中光强灯，也可能是以一定频率闪烁发红光的中光强灯，而距离地面很高的建筑物则需要使用高光强的白色闪光灯来提示飞行员。不论哪种航空障碍灯，他们的排列分布都是为了让飞行员能够辨认出建筑物或者建筑群的轮廓，并且考虑障碍标志灯的颜色和是否闪烁，以达到明显的警示作用。
by 小线
Q.E.D.

Q4

水面为什么有的地方像磨砂有的地方像镜面?

by 八零

答：
分为以下两个问题解答：
1.为什么会产生磨砂的效果？
如果水面有轻微到中度的波动，会使灯光的反射变得不那么清晰，产生类似磨砂的效果。这种波动会不断改变水面的角度和形状，导致灯光在反射过程中发生散射和漫反射取代平静时的镜面反射。在开阔地带，风更容易吹到水面，引起水面的波动；波浪的不均匀性可以造成水面在某些区域看起来更光滑，而在其他区域看起来更粗糙。
2.为什么在近岸会有边界无规则但清晰明显的磨砂-镜面分界？
湖水看似平静实则充斥着大量的湍流、层流，导致在不同的水面上既有雷诺数较高、漩涡结构十分复杂的区域（河流远离岸边的地方）也有雷诺数较低，漩涡结构简单的区域(照片中所示近岸)。当风吹过水面时，复杂湍流区就会受到无数微小漩涡的扰动，扰动超过某个阈值水面波动就会产生大量驻波，从而出现边界分明的漫反射区，而靠近岸边的水面湍流对风吹扰动较轻，会很快消散，大体呈镜面反射。
by Chocobo
Q.E.D.

Q5

如果电器不接地线，其金属外壳就会带电，这个电从何而来？地线又是如何把电导走的？

by 匿名

答：
地线是在电系统或电子设备中，接大地、接外壳或接参考电位为零的导线。如果电器没有正确接地，其带电金属外壳上的电荷可能来源有以下几种：
1.绝缘老化：电器内部的绝缘材料可能出现老化、破损或者设计不当导致漏电。火线上的电流通过这些漏电点，部分流向金属外壳使之带电；
2.电磁干扰：在一些情况下，周围的电磁场可能导致静电感应（比如多个电器同时工作时，它们之间可能会互相干扰），使得金属外壳带有微量电荷。而这些感应电荷在没有接地线的情况下无法释放，故而留滞在金属外壳；
3.静电积累：电器在使用过程中，金属外壳可能因摩擦、接触或其他原因产生静电。同样，由于没有电器接地线，导致这些静电荷积累在金属外壳，令其带电。
当电器的金属外壳带电时，意味极有可能着发生触电事故。因此，电器正确接地线至关重要。那么地线是如何导出电荷的呢？我们知道大地是良好的导体，地线通过接地端与大地相连，就能形成一个完整的电流回路，为电器的金属外壳提供了一个低阻抗的路径，让电流能沿着地线迅速流向地面，从而避免外壳上的电荷积累。用电规程规定保护接地电阻应≤4Ω，根据欧姆定律，绝缘损坏时通过人体的电流仅为总电流的1/500，进而起到保护作用。
参考文献：
阿荣．零线地线．信息时报．2000.
by 4925
Q.E.D.

Q6

两束波相抵消后能量去了哪里?

by 刘瀚泽

答：
两束波相消时能量不会消失，只会不同能量间相互转化或能量在空间上重新分布。为了更简单地讨论这个问题的本质，现在做以下假设：两束波能够产生完全相消干涉、两波源间没有相互影响、在传播过程中没有能量耗散，且只讨论最简单的一维情况。下面将分别举电磁波与机械波的例子来讨论这个问题。
（1）不同能量间转化：以真空中电磁波为例，其能量由电场(E)与磁场(H)两部分组成，能量密度满足
通常把电场方向当作电磁波振动方向，而电场、磁场与传播方向满足右手螺旋定则，如下图所示的两束相向运动的电磁波。当两波相遇且脉冲完全相消时，两波电场方向相反完全相消，但是磁场却是同方向叠加的，因此电场能量完全转化为磁场能量，总能量守恒。

（2）能量在空间上重新分布：以机械横波为例子，相距为波长整数倍的两波源做相位相反、振幅相等的简谐振动，发出两束一维横波，显然这两束波在两波源以外的区域内是完全相消的，在此区域内没有波动表现，能量看似“消失”，但是在两波源之间的区域内，显然两束波相长干涉形成了驻波，振幅是之前的两倍，由能量正比于振幅的平方可知，此区域内能量是之前的四倍，看似有能量“凭空增加”。这种能量“消失”、“凭空增加”的说法显然是违背能量守恒定律的，实际情况应该是相消干涉区域的能量转移到了相长干涉区域的能量，即能量在空间上重新分布，整个系统总能量守恒。
综上所述，两束波相消时能量并不会消失，而是会不同能量间转化（电磁波电场能磁场能互相转化、机械波势能动能互相转化），或是能量转移到相长干涉的区域。
参考文献：
赵凯华. (2008). 波叠加时的能量佯谬. 物理与工程, 18(005), 2-4.
by 凉渐
Q.E.D.

Q7

高铁开过的轨道，下面的石头颜色偏黄是什么原因引起的？

by 匿名

答：
像这样铺在钢轨、轨枕下方的石子叫做“道(dào)砟(zhǎ)”。有砟道床通过道砟颗粒间相互摩擦和内部黏性阻尼来传播和减弱弹性波，承受来自轨枕的压力，并均匀地传递到路基面上，达到吸收和分散列车载荷，并实现列车安全运行的目的。
在列车荷载的长期作用下，道砟颗粒会受到复杂的应力分布和变形。而枕下道砟颗粒具有更加明显的垂直向下运动的趋势，越靠近枕木中心的道砟颗粒，其垂向速度响应越大，受到的冲击和磨损也更为严重。这种磨损和冲击可能导致道砟颗粒表面的矿物成分暴露，影响其表面的物理和化学性质，如氧化速率、风化速度等，进而导致局部道砟颜色差异。另外，道砟的化学成分和矿物组成是影响其颜色的主要因素，不同的矿物成分可能具有不同颜色。
同时，气候、降水、温度等环境因素也可能对道砟的颜色产生影响，如长时间的阳光照射和降水冲刷可能导致道砟表面的颜色发生变化。此外，还有许多人为因素也会造成这种颜色差异现象。比如在轨道施工和维护过程中，人为因素如使用的材料、施工工艺等也可能对道砟的颜色产生影响；又比如在火车运输过程中，倘若运输的物品有泄漏，也会污染道砟，使其颜色发生变化。
参考文献：
李勇俊,严颖,季顺迎.不同载荷频率下有砟铁路道床累积沉降特性的离散元分析[J].计算力学学报,2019,36(06):733-738.
A. Al Shaer, D. Duhamel, K. Sab, G. Foret, L. Schmitt, Experimental settlement and dynamic behavior of a portion of ballasted railway track under high speed trains, Journal of Sound and Vibration, 2008(316): 211-233.
by 4925
Q.E.D.

Q8

气泡音是怎么发出来的？

by 努力的初中生

答：
首先讲解一下我们人体的发声过程。我们人体发出的声音，本质上是空气中传播的声波，是由气息和声带摩擦震动产生的。声带位于我们喉部的中部，由声带肌、声带韧带和粘膜三部分组成。当我们发声时，气流会从肺部通过气管上升到声带处，此时声带会与气流摩擦振动而产生声音。由于声带的张力会影响声带振动的频率和幅度，所以声带还能够调节声音的音调与音量，一般而言，当声带紧张时，振动的频率更快，产生的声音音调更高；当声带更放松时，振动频率减慢，产生的声音音调更低。
气泡音的产生原理：当我们在发出气泡音时，声带起初完全闭合，当气流(通常是微弱气流)冲击声带时，会使声带中间部分产生许多小洞，此时气流持续通过这些小洞并与声带产生摩擦，此时声带振动产生的声音使一连串、有颗粒感的，就像一个个小气泡产生与破裂一样，此即气泡音。气泡音的音调通常是比较低的，它是声带处于充分放松状态下振动发出的声音，属于最低音区。气泡音的音调可以通过通过调节声带的紧张程度来改变，这对于练习歌唱发声有十分重要的作用。
参考文献：
郭霞. (2015). 气泡音对声乐演唱的重要作用. 北方音乐, 35(17), 1.
什么是气泡音？有什么特点？发声点在哪？什么时候用？
by 凉渐
Q.E.D.