為什麼氣球總是「撒手沒」?|No.226

2021-01-14 中科院物理所

昨天是本世紀僅4次的雙節同慶小編為了慶祝就吹了幾個氣球結果一個手抖剛吹好的氣球就飛了這讓人摸不著頭腦的飛行軌跡像只二哈一樣滿屋子亂竄簡直就是撒手沒但是為什麼氣球的飛行軌跡不是直線而是到處亂飛呢?Q1

請問為什麼氣球瞬間撒氣的時候,不是直線衝出去,而是滿房間四處飛放氣呢?by 匿名

答:小時候經常玩氣球,有時候將氣球吹大後,一不小心突然放手,氣球就從手裡飛走了。是因為氣球原本內部氣體壓強大於大氣壓強,撒氣後氣體從一端高速衝出,空氣流對氣球的反衝力就成為氣球飛行的動力。但是氣球撒氣的瞬間,氣球並不是直線衝出去,可以看見氣球運動的路線曲折多變。主要是因為:氣球各處厚薄不均勻導致張力不均勻,使氣球放氣時各處收縮也不均勻而產生擺動,這樣反衝力和運動速度的方向不能總是保持一致,產生夾角,從而運動方向不斷變化;另外氣球在收縮過程中形狀不斷變化,因而在運動過程中氣球表面的氣流速度也在不斷變化。根據流體力學原理,流速大,壓強小,所以氣球表面受空氣的壓力也在不斷變化,再加上由於氣球擺動和收縮造成的迎風面積變化等因素,在氣球「飛行」過程中空氣阻力的影響也不可忽略。各種因素綜合影響下氣球發生擺動導致運動方向不斷變化。by 懶懶的下午三點半Q.E.R.

Q2

透明膠帶用水泡久了以後為什麼會變白?

by 匿名

答:透明膠帶的「帶」本來就是透明的,主要是因為膠帶使用的是BOPP(雙向拉伸聚丙烯),PP就是傳說中的PP塑料,我們很多時候使用的餐具就是PP的,大家都知道PP餐具是安全的(也是透明的),其實它們和膠帶是同一種化學材料。透明膠帶在粘上了別的東西之後就會失去透明的性質,在水中泡久了也是因為吸附了水中各種亂七八糟的東西。失去透明的性質是因為,在吸附了各種東西之後,膠帶吸附面的表面變得不再平整光滑,光線在穿透它的時候會發生各種散射和折射。這和浪花、泡沫也顯現出白色的原因是一樣的。想必透明膠帶在泡水的時候,使用的水也不是蒸餾水,裡面都會或多或少的有亂七八糟的微生物和微小顆粒,這些顆粒被膠帶吸附就是膠帶變白的原因。by LunaQ.E.R.

Q3

蚊子為什麼都是倒掛著或者豎著而很少看見正趴著(這樣不應該更省力嗎)?by 被蚊子折磨的某人

答:首先,第一個原因:蚊子比我們輕N倍,一隻蚊子的重量大約是0.002g,比人輕大約三千萬倍。人尚且可以爬樹——對蚊子來說趴在牆上在克服重力可以想像是輕鬆的多的事情。第二個原因是,雖然對人類來說,牆壁是光滑的,樹和攀巖的巖石表面是凹凸不平的,但是對比我們小N倍的蚊子來說,牆壁其實是凹凸不平的,上面有很多可以附著的地方。這些昆蟲的腿上往往還有特殊的鉤狀的結構,可以讓他們更輕鬆的附著在不同種類的物體表面。再結合上他們自身十分十分輕的質量和十分十分小的體積。對蚊子來說,到底是趴著還是掛著沒有什麼區別,反正都是腿粘/鉤在物體表面上,重力的影響微乎其微,所以並不存在什麼姿勢更省力的要素。至於為什麼我們看到倒掛著和豎著的蚊子多,可能主要是蚊子自身的習性和在白色的背景下更容易被人看到的原因吧。by LunaQ.E.R.

Q4

可以用肥皂代替洗潔劑來洗碗嗎?

by 我吃故我在

答:肥皂和洗潔劑完全不是一種東西,肥皂的主要化學成分是硬脂酸鈉,這是一種在五千年前就被發明出來的的玩意兒。硬脂酸鈉是一種表面活性劑。至於表面活性劑是什麼,可以參考問答199期Q5。當然洗潔精的主要成分是也是表面活性劑,只不過它的成分和配方更複雜。既然這兩種東西兒都是表面活性劑,也都是超低毒性的,看上去好像沒有本質區別。那麼能不能用肥皂洗碗呢?這個問題很微妙,結論是「很不推薦」。首先和肥皂比起來,洗潔精更耐硬水——不容易和水中的鈣鎂等離子發生反應生成皂垢。其次是,通常情況肥皂是固形物,讓它溶於水就是一個有點麻煩的事情。什麼?你說直接用肥皂懟鍋碗瓢盆?這樣清理肥皂殘留反而會更麻煩。相比之下,洗潔精本來就是水溶液,所以水溶性、少殘留的性質要比肥皂好,用起來也方便。除此之外,(普遍意義上的)肥皂在設計上就不是用來洗碗的啊,為什麼不使用配方、設計上就是專門用來洗碗的洗潔精呢,這種專用性會有更好的質量保證,國家相關的質檢部門也會有更專門的檢測項目,何況價格也都不貴。by LunaQ.E.R.

Q5

為什麼破鏡不能重圓,是因為分子間隔太遠嗎?如果是的話那直接把碎鏡靠近就行了吧?如果不是的話那是什麼原因?by Gonb

答:材料(如鏡面)破碎時會有鍵(離子鍵、共價鍵等)的斷裂和結構的扭曲,甚至會有部分結構脫落(碎屑)。在破碎後極短時間內,新邊界處的原子斷裂的鍵會自發吸附空氣中的氣體分子,形成一個由數層分子構成的界面。分子間的相互作用對距離很敏感,一般而言,當距離達到分子尺寸以內時,表現為斥力,斥力隨距離減小增長很快,故液體固體往往很難壓縮,稍遠一些,表現為引力,體現為材料硬度,但距離稍微大一些(幾個原子距離),引力就衰減的差不多了。對於破鏡,再想重合時,由於上面提到的原因,原來鍵合在一起的原子,現在基本上無法靠近彼此了(當然,宏觀上看不出來),它們要麼被氣體分子形成的界面隔開了,要麼錯位了,要麼脫落離開了,同時還在各自亂「熱振動」,自然難以恢復原來的微觀狀態,形成宏觀上足夠大的引力以「重圓」了。by AlanQ.E.R.

Q6

為什麼光從一種物質傳播到另一種物質時會發生偏折?或者說,光的折射的實質是什麼?by 同學二什二

答:先說結論:光折射本質是光在不同介質中傳播速度不同導致的。光在介質中的具體速度的計算和解釋需要涉及到光與原子分子的微觀相互作用過程,在此不必要去細說,但不同介質中光速不同這一點還是好接受的(其實要是一樣更難接受),就像我們在空氣中走路和在水中走路感受到的阻力是不同的。在此基礎上,光具有波粒二象性,討論光的傳播時,涉及到的是波動性的方面,結合波動性的惠更斯原理就很容易理解折射現象。

圖1

圖2如圖1,惠更斯原理是說:光速為的均勻介質中,如果「振源」發出的球面波(光)時刻傳到球面(術語叫:波前),時傳到,則上每一個小面源可認為是次波的波源,這些次波源產生的次球面波(半徑為)在時形成的包絡面就是。簡單來說,就是任一時刻以後初始「振源」的效果可以用該時刻的一系列次波源的在之後產生的總效果代替。如圖2,一束光以速度在介質1中傳播到界面上,光線1傳播到時,光線傳播到,此後1→的光線依次到達界面並在介質2(光速為)中形成自己的波前(越來越小的半球面),直到光線傳播到,包絡面為這些半球面公切面。這段時間記為,顯然:。由此:此即折射定律。此圖還可以方便地看出反射定律,大家可以自己想一想。by AlanQ.E.R.

Q7

龐加萊重現和熱力學第二定律不矛盾嗎?

by 匿名

答:不矛盾。熱力學第二定律又名熵增原理,即孤立系統只能自發朝著熵增的方向演變,不能逆過來。龐加萊重現是說力學系統經過充分長的時間後總可以回復到初始狀態附近(熵減)。只要搞清楚兩者的前提和被暗中抹掉的條件就容易看出它們並不矛盾。熵增原理是對應「實際過程」(也就是一個有限時間或者說相對於人來說是有意義的時間內發生的過程),最重要的是,它是一個統計結論(很多人會忽略這一點),在嚴格的教材裡面的表述大概是,熵表示體系混亂度,對於宏觀多粒子孤立系統(1023個粒子),粒子的任意分布狀態(數量巨大)中,對應熵比較大的狀態數比熵小的狀態數多的多的多(排列組合而已),因此它們出現的概率也大得多,所以體系演化過程中熵減小的概率幾乎為0,但其實確實不是0,可惜「實際過程」時間短,這種可能性並不會出現(這就是統計的意義了,即把非常非常非常……不可能就直接作為不可能,這並非不可),就得到統計意義下的熵增原理了。而龐加萊重現對應理想情況,實際上體系恢復原來狀態的可能性確實存在著,雖然它概率非常非常非常微小,但只要給的時間足夠長,比宇宙時間還要長的多(就當是無限長吧),那就變成「無論一件事發生的可能性多麼小,只要不是0,重複足夠多次後,它必然會發生」的情況了,只是這個時間長度對實際並沒有什麼意義了。所以說兩個東西不矛盾,只是一個極小概率×很有限的時間=0與一個極小概率×極大時間=1的區別罷了。by AlanQ.E.R.

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