人类这么厉害,为什么却无法徒手拍死苍蝇?| No.316

万物有灵除了苍蝇人类对付苍蝇可以说是手段丰富了可为什么我们就是无法徒手打死苍蝇?Q1为什么隔音墙要做成凹凸不平的蜂窝状?如果是为了减弱声波的反射,其原理是什么?by 噗噗在海淀答:

这种凹凸不平的设计应该是为了使声波发生方向随机的反射,也就是漫反射。这种反射使得声波有可能在表面或内部发生多次反射,声音就在多次反射中被吸收。

首先,我们要清楚,声波不仅会反射,还会被吸收。声波本身就是发声物体的振动,在空气中传播的声音其实就是空气分子的振动,当声波接触到反射面时,空气分子的动能或者说动量势必会部分地传导到反射面,这也就是物体对声波的吸收。

吸声型隔音墙便是利用泡沫海绵等轻质疏松的材料加强了对声波能量的吸收,以达到消除声音的目的。这种材料质地比较轻,声波传导到材料时,更容易被吸收,同时,其多孔的结构使得声波在其内部不断反射,最终声波的能量降低到一定程度就达到隔音的目的了。

其实在铁路边上,你可能还会见到用金属等材料做的隔音墙,这是一种反射型隔音墙。顾名思义,其就是靠把声波反射回去达到隔音的目的的。

by 霜白

Q.E.D.Q2为什么面条煮好过凉水更不易粘连?by 匿名答:

这应该是因为过凉水抑制了淀粉的糊化,同时面皮作为高分子复合材料,骤然遇冷可以增加面皮的机械性能,有点类似于淬火。

先介绍一下淀粉的糊化,天然淀粉中,淀粉以淀粉粒的形式存在,淀粉粒中存在结晶区和非结晶区交替排列的情况,结晶区中,淀粉分子之间依靠氢键结合。淀粉粒在水中加热时,热量会破坏结晶区的氢键,原本的氢键点位与水结合,也就是水合,淀粉粒将不可逆地溶解在水中。淀粉的糊化会导致淀粉的粘度增加。室温下淀粉粒结构紧密,水不容易进入,只有再加热下,淀粉才会发生糊化。天然淀粉通常在55℃之后开始糊化,我们可以通过改性提高淀粉的糊化温度。

煮好的面条粘性本就比干面条高,这是因为煮面条这个过程本身就会发生淀粉的糊化,而煮好的面条浸泡在热面汤中,糊化会继续进行,我想这就是面条粘连的原因了。过凉水之后的面条表面温度下降,低于糊化温度之后,淀粉便不会发生糊化了,也就不容易再粘连了。同时,面皮作为淀粉高分子复合材料,骤然遇冷有利于面皮结晶区增加,增加面皮的机械性能,使得面条更具有韧性。

总之,面条过水yyds。

参考资料:

淀粉糊化

淀粉的糊化和老化

你对科学公园嘲笑人们煮饺子加凉水的文章怎么看?

by 霜白

Q.E.D.Q3为什么用手很难打到苍蝇?by 匿名答:

当然是因为它太“”了!而解释它为什么会这么快,那就必须得提到它的复眼!复眼,是昆虫的主要视觉器官,通常在昆虫的头部占有突出的位置。多数昆虫的复眼呈圆形、卵圆形或肾形。它由多数小眼组成,每个小眼都有角膜、晶椎、色素细胞、视网膜细胞、视杆等结构,是一个独立的感光单位,对于苍蝇的复眼大约由4000个小眼组成。复眼的作用让苍蝇有效地计算自身与观察物体的方位,从而做出更快速的判断和反应。

苍蝇复眼|维基百科

那苍蝇的脑子能计算多快呢?作为一名物理研究人员,准确的数字来直观的描述是不可少的:人的闪光融合临界频率(当看一个间歇频率较低的闪光时,得到的是明暗交替的闪烁感觉,当断续的闪光间歇频率增加,看到的将不再是闪烁的光,而是稳定的连续的光,这种现象叫闪光融合,可以理解成大脑接收图像的处理速度)是每秒60次,苍蝇是每秒250次,足足比人高了4倍。这意味着我们拍它的速度在苍蝇眼里是慢了4倍的。

当然它不仅脑子快四肢也很快!苍蝇会采用弹射的方式规避危险,具体的做法是:苍蝇会用它的翅膀以及它的双腿跳开所处位置,而不是采用飞行的方式。这意味着当苍蝇感知到周围的危险时,大脑会启动逃离危险的程序,第一时间给腿以及翅膀发信号,然后跳开。

苍蝇的弹射起步|百度百科

等等,你是不是想到了另一个害虫,蚊子?其实蚊子的复眼小于100个,并且它的神经系统以及飞行运动能力也不远如苍蝇强(详细的分析请看参考文献),所以徒手抓到蚊子的可能性会比抓到苍蝇高的多哦~下次试试

参考资料:

你为什么打不中一只苍蝇?

Visually Mediated Motor Planning in the Escape Response of Drosophila

蚊子为什么比苍蝇好打?

by justiu

Q.E.D.Q4压强有负的么?by 二念答:

通常我们认为压强没有负值。

压强是物体中通过某一截面的相互作用的法向应力。一般来说,分子间相互作用与分子运动都对压强有贡献。分子间相互作用就不用多提了。简单介绍一下分子运动,这也是气体压强的来源。我们考虑某一截面的压强,由于分子运动,时刻会有分子穿过这一截面,这些分子会携带动量,由冲量定理可知,携带动量的分子穿过这一截面,就意味着有冲量作用在这一截面上,即有力作用,那么单位面积上的作用力就是这一截面的压强了。根据此原理,我们可以推导得到理想气体压强公式:

我们知道,对于高速运动的粒子,经典力学体系下的伽利略变换不再适用,需要引入洛伦兹变换:

式中,n为分子数密度,p为分子动量,v为分子速度,后一项为动量与速度的内积的平均值。详细推导可以查看参考文献。

从压强的本质,不难看出,抛开一些特例,压强不可能为负值,最小也就是0,对应没有分子的情况。

那么特例是什么呢?这就要谈一下负压了。

通常意义下的负压是一个相对概念,指的是实际压强低于参考值,如果我们以大气压为参考值,则0.5个大气压就是相对意义下的负压。

但在当我们拉动一些块状固体或液体中,有可能出现其表现为净张力情况,这是因为其分子之间具有吸引力,当这种吸引力高过热动能之后,可以出现这种情况,这种就可以看作是绝对的负压。

还有便是真空中的卡西米尔效应,卡西米尔效应指的是由于真空能量涨落,真空中的物体产生较小的吸引力。这或许也可以看作是一种负压。

最后一种情况是,对于刚体中的非偏向性应力,如果我们选择不同的表面方向,则同一个力可能沿某个表面具有正压成分,而在另一个表面具有负压成分。

参考文献:

[1]赵凯华, 罗蔚茵. 新概念物理教程,热学[M]. 高等教育出版社, 1998.

Pressure

by 乐子超人

Q.E.D.Q5太阳能电池板的原理是什么?by 匿名答:

光生伏特效应。

太阳能电池板的核心部件是pn结。以硅基电池为例,它是在Si半导体材料的基础上,在一端掺杂硼或其他最外层电子数少于4的原子(称为p端),另一端掺杂磷或其他最外层电子数大于4的原子(称为n端)。p端掺入了缺电子的杂质,故而有些本该成键的位置出现了空缺,可以视为出现了带正电的空穴(但是注意,此时p端整体依然是电中性的);而n端掺入了多电子的杂质,在与周围的Si成键之余出现了富余的自由电子(n端此时也依然是电中性的)。

在这样的浓度差下,电子会从n端跑到p端,空穴会从p端跑到n端。于是,在pn端的交界面上,出现了p端带负电,n端带正电的情况,同时也会产生从n端指向p端的内建电场。随着电子和空穴的扩散,这个区域会逐渐增大,而内建电场也会逐渐增强,最终增强到区域外的电子和空穴再也不能进一步扩散。由于最终这个稳定的区域不再有自由移动的电子和空穴,我们称它为耗尽层

好的,现在看起来,p端带了负电,n端带了正电,那么直接把p端和n端接起来,会有电流吗?

扩散产生的电势差等价于不同材料的费米能之差

答案是不会,因为在导线与p端和n端接触的界面上,依然会存在由于扩散产生的电势差,这三个电势差刚好抵消。

这时候就需要我们伟大的太阳来帮忙了。光(其实也不一定是太阳光,只要频率合适就行)照射到pn结上后,光的能量会被耗尽层的材料吸收,产生新的电子空穴对。这个新的电子会在内建电场作用下飘向n端,新的空穴会飘向p端,从而使p端电势上升,n端电势下降,打破原先的电势差平衡,形成一个p正n负的光电池。

by 牧鱼

Q.E.D.Q6在太空中,液体内部还有压强吗?同种液体内部的压强会随深度的增加而增大吗?by Snowman答:

有,但不会随着深度而变化了。

首先需要明确,这里的太空指的是什么?如果是指严格意义的真空或是真空度非常高,那液体显然会立刻沸腾,这一点可以从相图(以水为例)上看出来。所以即使是太空中,只要还保持着液体形态,就可以推断内部仍有一定的压强。

图源:Wikipedia

这个压强可能来自于哪里呢,从上一题看出,压强来自于两方面,分子间相互作用及分子热运动。我们在地面看到的压强以及其随深度线性增加的特性来自于重力,重力对压强的贡献远高于其他因素,但在太空中,没有重力之后,其他因素就不得不考虑了。例如分子热运动、表面张力以及可能存在的环境气压等。

但在无重力环境下,压强随深度线性变化的特性便没有了。

我们可以对静止的流体进行受力分析,得到平衡方程。这里,分子热运动等作为小量就先不考虑了。我们在流体中的某一点建立直角坐标系,Z轴竖直向上,然后考虑一个以坐标轴为边的小正方体,不失一般性,这个小正方体每个面都会受到两个力:质量力和流体的压力。这里的质量力是由流体本身的质量带来的力,包括但不限于重力,静止流体受力一定是平衡的,因此我们可以得到最终的平衡方程:

这里省略了一些推导,仅给出最后的平衡方程,有兴趣的同学可以点击参考资料查看。

平衡方程中X、Y、Z为质量力在坐标轴方向的分量,ρ为流体密度,p为总静压力,注意,这里p不是静压力在坐标轴方向的分量。

如果考虑重力,则有:X=Y=0,Z=-g。代入方程得重力作用下流体静力学基本方程:

也就是p=γ(C-z),γ=ρg,注意:这里的z为Z轴方向的坐标值,如果我们用深度h来代替z,则有h=-z上式就化为p=ρgh,这个式子就很眼熟了是吧。不过在地面上,还必须要考虑环境气压,也就是大气压,对不可压缩流体来说,这会带来一个常数项。

因此,在不考虑重力时,压强随深度也就没有变化了。

参考资料:

流体静力学●上

by 霜白

Q.E.D.Q7初中物理课本上有一句流体的流速越快,压强越小。但是,伯努利原理与这个观点不符,而且高压水枪的流速很快,打到人身上也很痛,这可以证明它的压强大,这也与课本上的观点不符,请问到底哪个是正确的by 新初三答:

首先,初中课本“流速越快压强越小”的表述就是伯努利原理的简化版本。

伯努利原理的完整表述是[1][2]:当无摩擦的不可压缩流体沿流线做定常流动时,其内部满足

当然也可以写成

其中,v是流体在某一点的速度,h是这一点相对参考点的高度(参考点不一定是液面),p是这一点处的液体压强,const代表常数。如果把压强p看成一个驱动流体微元运动的势场——类比成电学里驱动电荷运动的电势场——那么伯努利原理形式上就是一个加了很多限制条件的能量守恒。当然,这是个非常粗疏的理解。至于伯努利原理的限制条件,相比于挨个解释定语里的名词,我更愿意用一句描述性的口语来解释:一种比段子里“真空中球形鸡”更理想的流体,作着极其规则的流动——规则到观察者甚至看不出它是不是在流动:既没有漩涡,也不对管壁产生摩擦,而且流动的性质不随时间变化,甚至不会有任何一小部分流体侵入邻居的行进路线。这样,保持高度h不变,流速v比较大的地方,压强p自然比较小

至于高压水枪,尽管它已经不符合伯努利原理的假设,但是作为一个粗略的近似,伯努利原理还可以定性地解释你关于水枪的困惑。冲击到人体的一瞬间,水流速度变成0 ,套用上面第二个公式,,那么的条件下自然p₂会变得很大。如果换用中学更熟悉的力的语言,水流冲击到身上使人感受到的压强,并不是上面公式里的p,而是原本液体压强加上水流被人身体挡住所对人施加的冲量造成的压强。而由于水枪中水的流速很快,事实上冲量的部分才是让人“感觉疼”的主要因素。

参考资料:

[1]伯努利定律

[2]吴望一,流体力学(第二版)[M],北京大学出版社,2021

by 藏痴

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霜白justiu牧鱼藏痴

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编辑:穆梓

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