太酷了!看光的慢動作-物理,動圖,GIF,光,慢動作 ——快科技(驅動之...

2020-12-17 快科技

數學、物理、化學、生物學、流體力學方面的酷炫動圖我們已經看過不少了,今天再看看物理方面的一些新奇事兒,這裡將展示更多有趣的物理現象。

例行警告:圖多殺貓,如果你在使用3G上網,請立刻關閉此頁面!

活塞打火

原理:這是一種引火裝置,在其中放入小片的引火物,並快速地壓下活塞即可引燃。

這可以看作是氣體絕熱壓縮的過程,根據理想氣體狀態方程,絕熱過程滿足TV(γ-1)=常數,也就是說,隨著體積V的壓縮,溫度T會隨之上升。空氣的比熱容比γ≈1.4,如果將空氣的體積壓縮為原來的1/5,則溫度會升高到原來的2倍左右,大約可達300℃。這一溫度足以點燃很多常見易燃物,例如動圖中的棉絮。

花絮:點燃之後要迅速把活塞抽出,以免火種因為氧氣耗盡而熄滅。如果你有興趣,也可以自己DIY一個。

危險:低。打火活塞是一種相對安全的引火方法,它在野外也很實用。注意不要用火棉(gun cotton)或氣體燃料來引火,否則活塞可能會被猛噴出來。

水之橋

原理:兩個裝滿去離子水的燒杯彼此接觸,如果此時給它們之間加上數千伏的電勢差,那麼即使把兩個燒杯拉開幾釐米距離,二者之間也依然會有一條「水橋」相連。

這一現象的具體原理還有待進一步研究,目前普遍認為它是和表層液體發生極化有關。

花絮:誒?這個不也是電解水的實驗裝置嗎?不是的哦,電解水的實驗通常需要加入離子增強導電性,而這個實驗則要求水非常純淨。如果水中溶入了離子,「水橋」的穩定性會變差很多。

危險:中高。請勿在家中玩耍高壓電君……

固體還是液體?

原理:玉米澱粉與水的混合液是一種具有脹流性(dilatant)的非牛頓流體,緩緩施力時它表現得像液體,而瞬間施力則會讓它呈現固體的模樣。

你可以把它想像成一團麵粉,當你把麵粉抓起來的時候,麵粉顆粒會緩緩從指縫流走,此時顆粒是分散的,呈現液體的特性,而當你一拳打在麵粉上時,顆粒會互相擠壓而使阻力增大,呈現固體的特性。

花絮:《生活大爆炸》第2季第3集中,Geek們就曾把玉米澱粉液體放在低音喇叭上看它跳舞。不僅如此,人還可以快速跑過加入大量玉米澱粉的流體,但如果站在上面不動則會陷下去。

危險: 很低。不過,陷進玉米澱粉漿可能不太容易爬出來,請當心。

視頻:
http://www.tudou.com/programs/view/_on9yfVHoow/

聲波懸浮

原理:高聲強的聲波具有非線性效應,這一效應可對聲場中的物體產生壓差,將輕小物體懸浮在聲波駐波的波節附近。上圖中的這次實驗在上下左右都設置了超聲波相控陣列,從而實現了對物體的三維移動。(更多閱讀:聲懸浮為什麼能讓水浮在半空中?)

花絮:在原視頻中,來自日本的研究者們還用這種裝置懸浮了釘子君、螺母君、火柴君、電阻君、二極體君和肥皂泡君……夠啦快放人家下來!聲懸浮還有更多應用場合,例如利用它可以使液滴脫離容器的影響,由此便可以製備深度過冷的液體,並更好地控制晶體形成的過程。

危險:較低。不過,假如硬要造出聲場極強的設備來懸浮人類,則有可能造成人體爆炸或嚴重的內出血……

失重

原理:液體的壓強來源於液體所受的重力,失重狀態下液體不再對瓶壁產生壓力,因此原本從側面小孔噴出的水柱在水瓶自由下落時會逐漸消失。

花絮:這個實驗聽起來太簡單了?那麼讓我們來換一種更高大上的解釋:根據廣義相對論的等效原理,慣性力場與引力場的動力學效應是局部不可分辨的,在瓶子自由下落的參考系中,慣性力消除了瓶子所處局部時空範圍內的引力作用,這個瓶子此時已經看不見引力場的存在了。

危險:很低。在家也可以進行的物理實驗,不過要小心別被瓶子砸到……

光的慢動作

原理:2014年12月4日的《自然》以封面文章刊登了目前世界上最快的只接收(receive-only)2D超高速攝像機,它的拍攝幀數達到了1000億幀/秒,即10皮秒1幀(作為參考,真空中的光在 10 皮秒內走過的距離約為3毫米)。上圖就是通過這種攝像機拍攝的雷射脈衝被鏡面反射的過程,整個過程實際只經歷了300皮秒(三百萬億分之一秒)。

花絮:在這篇論文中,研究者們還用這個技術演示了一個偽超光速實驗:一排光波像海浪一樣斜著拍到屏幕上,則光斑是以超光速掃過屏幕的。不過,這並沒有什麼用……這類光斑或影子都是無法超光速地傳遞信息的。

危險:對一般人不構成安全威脅,同時也是生活中完全沒有機會觀察到的現象……能夠追上光速的攝像技術將再次推進基礎物理學的研究發展,這可能招致某地外文明的撲滅(誤)。

藍光

原理:這是在桑迪亞國家實驗室環形核心研究反應堆(Annular Core Research Reactor)拍攝到的切倫科夫輻射(Cherenkov radiation)。介質中的光速是小於真空中光速的,因此它完全可以被其他高速運動的粒子超越。類似於超音速時會產生激波,當帶電粒子的速度超過介質中的光速時,就會在運動路徑兩側產生切倫科夫輻射。這種輻射的能量主要在紫外波段,而人眼可以觀察到的部分通常呈現藍紫色的輝光(更多閱讀:切連科夫輻射是怎麼一回事?)。

花絮:宇宙空間中的某些高能粒子的運動速度可接近光速,因此它們在進入地球大氣層時也會產生這種輻射。這種藍紫色的閃光僅持續數納秒,亮度只有夜空背景的萬分之一。我們不能直接看到這種閃光,不過它依然能被切倫科夫望遠鏡的超快光電傳感器捕捉到。

危險:高。一般要到高能放射源的旁邊才會出現切倫科夫輻射肉眼可見的情況,所以還是不要親眼欣賞為好……

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