流動的水比靜止的水更難結冰嗎？| No.135_風聞
中科院物理所-中科院物理所官方账号-2018-12-29 14:11
原創：中科院物理所
《呂氏春秋》裏有一句話：流水不腐，户樞不蠹。意思是説常流動的水不容易發臭，常轉的門軸不容易被蟲蛀，比喻經常運動，生命力才會持久。但是流水除了“不腐”以外，好像也不太容易結冰，這是真的嗎？如果是那又是為什麼呢？
1
Q
一根高蠟燭和一根矮蠟燭同時點燃，倒扣上一個大玻璃罩，為什麼高蠟燭先熄滅？
by 佚名
A
蠟燭燃燒消耗氧氣，產生二氧化碳和水蒸氣。產生的二氧化碳和水蒸氣温度很高，密度較低，會上升到玻璃罩內空間上部，將氧氣與氮氣擠到下面，因而高的蠟燭首先缺氧熄滅。當然這也不是絕對，如果存在有效手段能讓二氧化碳氣體降温（例如玻璃罩大一些，高温二氧化碳與周圍空氣充分交換熱量；或者換成金屬罩，加快散熱），使二氧化碳與周圍空氣温度相同。這時二氧化碳密度大於空氣，沉於底部，這時矮蠟燭會首先缺氧熄滅。
By 可愛的你
2
Q
流動的水比靜止的水更難結冰嗎？
by Glenn
A
流動的水的確比靜止的水更難結冰。
水結冰其實是一種結晶的現象，結晶首先需要有凝結核，然後凝結核不斷長大，最終長成大塊晶體。從這裏可以看出，結晶速率主要受到兩個因素的影響，一個是成核速率，一個是生長速率。
流動的水中，質點不容易聚集，成核困難；其次，受水流作用，水分子在凝結核表面比較難長時間停留，晶體生長速率變緩。以上是從微觀的動力學角度考慮，從宏觀上考慮，流動的水一般都是紊流，不是層流，因此水流下方温度比較高的水會到表層來，那麼，就需要帶走更多熱量才能讓表層的水結冰，這也會使得流動的水更難結冰。
By 重光
3
Q
換氣扇是怎麼實現換氣的？
by _(:з」∠)_
A
換氣扇的換氣方式有排出式、吸入式、並用式三種。排出式從自然進氣口進入空氣，通過換氣扇排出污濁空氣。
吸入式通過換氣扇吸入新鮮空氣，從自然排氣口排出污濁空氣；並用式是吸氣與排氣均由換氣扇來完成。三者的工作原理基本相同，都是通過風扇扇葉的轉動來實現換氣的。
可以看到，扇葉和中軸是呈一定角度的，當扇葉順時針轉動時，出風口的空氣分子被推動而被壓縮，氣壓增大，從而向外部低氣壓的地方運動；而送風口出現則會出現局部的負壓，外部的空氣在壓強的作用下向送分口運動，對缺失的空氣分子進行填充。由此實現了空氣的定向流動，達到室內外氣體交換的效果。
By Major Tom
4
Q
為什麼火焰不受重力影響一直是向上飄，而不是向下飄或者成球形？
by 上週的今天的明天考研
A
在不受重力的情況下，其實已經沒有上下左右之分了，沒有火焰不受重力影響一直向上飄這種説法。不過火焰在不受重力作用下確實是球形或者是近似球形，NASA曾經在國際空間站做過這個實驗。
視頻鏈接：Strange Flames on the International Space Station
在地球上，燭焰自蠟燭的芯開始，向上聳起，呈兩頭稍尖的長橢圓形。這是因為在重力作用下，受熱的空氣密度較低，會上升，周圍的冷空氣密度較大，會下沉，並流向焰心部位，這樣，空氣就形成了對流，產生了明亮的外焰，也拉長了火焰的形狀。太空中的燭焰是近似於球形的，因為太空中沒有對流，燭焰成球形且向外擴散，燭芯在火焰最裏層。
圖片來源：YouTube
NASA還做了Flame Extinguishment Experiment (FLEX)的實驗（FLEX-ible Insight Into Flame Behavior）。使用點火槍點燃庚烷液滴（上面的視頻在2:24處就是這個實驗），從實驗中可以看到，沒有外界擾動的情況下，太空中的火焰其實幾乎不移動，不會“上升”也不會“下降”，就如下圖所示，火焰向外擴散，然後熄滅，但是液滴卻在無火焰的情況下繼續燃燒，持續了20 s。
圖片來源：NASA
By 重光
5
Q
為什麼用一根手指可以讓坐着的人站不起來？感覺是力矩的原因但具體是怎麼樣的呢？
by INFINITE
A
要弄明白這個問題，就得先明白人是如何從端坐（注意一定要端坐，聳肩彎背的姿勢不在考慮之列）到站起的。人在端坐時，重心位於小腿後面，臀部附近。站起過程是重心向前向上移動的過程，具體步驟是有腰腹部肌內收縮，身體前傾將重心移到與腳垂直，腿部肌肉收縮使腿站直，重心上移。
如果端坐時有人用手指戳着額頭（注意是額頭哈，如果戳胸及胸部以下的話一根手指就辦不到了），那麼身體是無法前傾的，因為腰腹部肌肉在臀部附近，而身子前傾卻是以臀部為支點的轉動，故而腰腹部肌內的力臂短，而戳額頭的指頭力臂長。這樣指頭很小的力可以造成較大力矩，以致腰腹部力量無法克服該力矩，重心不會前移。第一步沒有發生，我們腿部肌肉無從發力，也就站不起來了。
By 可愛的你
6
Q
雷雨天氣撥打手機真的會引起雷擊嗎？
by Q
A
首先解釋一下雷擊的發生原因，雷擊其實是雲地之間放電。強對流天氣下，雲中的小水滴和冰晶摩擦、碰撞，使得雲層頂部帶正電荷，雲層底部帶負電荷，大地表面感應出正電荷，雲層底部和大地構成一個電容器。當空氣被擊穿，雲層底部的負電荷和大地帶的正電荷中和就是雷擊了。
雲地之間放電會找一條最“簡便”的通道，優先通過尖鋭（曲率大，電荷密度高）、導電、離雲層近的物體向大地放電，比如避雷針就很是符合這個特點。而手機主要的主要功能是接收和發射電磁波，這個電磁波的強度很弱，不至於電離空氣，招來雷擊；手機表面也不尖鋭，也沒人打電話時把手機像火炬一樣高高地舉着。所以雷雨天氣在建築羣裏面用手機撥打電話不會引起雷擊，因為高層建築尖鋭的部分和避雷針被雷擊的優先級更高。如果在空曠的地方用手機撥打電話被雷擊了，那不是手機的鍋，是因為相對於平地來説，那兒站個人實在是太突出了。
Ps：雷雨天還是別打電話了，一是雷聲大聽不清，二是你會發現，出現閃電那一會兒，手機信號不好，聽對方的聲音斷斷續續的（親測）。
By 重光
7
Q
我們天文觀測到的遙遠天體都是實時的嗎？如果是觀測過去的天體有什麼意義?
by 佚名
A
第一個問題。好消息好消息！宇宙首家天文台上線了，性感天體在線發光。。（我在説什麼呢？）可惜這場直播有延遲，光走過來需要時間，看到的當然是過去發出的光。至於是多久之前的，可以參見122期問題6太陽還能燒多少年？| No.122
第二個問題問得好！看到過去恐怕是天文最大的意義了。時間的車輪滾滾向前，誰不想突破時間的限制看穿古今，尤其是看到宇宙的演化歷程？可是天長地久綿綿無期，僅太陽的年齡就已經有50億年，銀河系的年齡更是逾百億年，而人類的出現不過萬年，一個天文學家的一生也不過百年，如之奈何？廣袤的宇宙給我們提供了無限可能性。宇宙中充斥着各種類型、各種演化時期的天體，通過研究它們，我們就可以繪製出不同種類天體一生的藍圖，從而得知我們的太陽、銀河系的前世今生，包括未來。至於研究宇宙的歷史，則需要尋找遙遠的天體，也就是很久以前宇宙早期的天體，這些相當於宇宙中的活化石。通過觀測它們，我們就看到了宇宙以前的樣子，看到不同時期的宇宙有什麼差別，從而得知宇宙的演化歷程。研究過去，也是為了探尋將來的發展道路。
天文，就是為了回答我們從哪來，我們要到哪去。所以大家真的不考慮學個天文嗎？
By 起個筆名真難
8
Q
短道速滑運動員過彎時動作有何講究，背後的原理又是怎樣的？
by 心中有黨，成績理想
A
我們先對運動員（沒錯，就是那根杆）做一個受力分析，為了使問題簡單化，我們忽略了阻力和運動員手部與冰面的相互作用。假設運動員質量為m，冰面對冰刀的支持力為N，冰刀與冰面夾角為θ，彎道的半徑為R，運動員以速度v做勻速圓周運動。其動力學方程為
短道速滑運動員過彎的簡單動力學模型
對於短道速滑來説，彎道半徑小，運動速度快，我們假設運動員質量為60kg，將R=8m，v=11m/s代入，可以粗略計算出向心力為908N，這是一個不小的數值。向心力誰來提供呢？從上面的受力分析可以看出是支持力的水平分力，因此運動員可以增加蹬冰力來增加支持力N，或者是增大身體向冰面的傾斜程度（即減小θ）來滿足向心力的需求。而支持力是有限的，所以短道速滑運動員過彎時，身體會向冰面傾斜，防止支持力不足以提供向心力而向外圈側向滑動，給對手從內線彎道超越的機會。一般來説，短道速滑運動員在過彎時傾角約為30°，這時身體很容易失穩，因此運動員採用深蹲彎腰的姿勢來降低重心，並用帶了防護手套的手去觸碰冰面，對身體進行一定的支撐。當然，如果你有過人的實力，你完全可以彎道背手超越，出彎甚至還可以扶一下護目鏡。
短道速滑運動員過彎姿勢
參考：
劉鋒，關汝華. 短道速滑使用槽刃冰刀的理論初探[J]. 體育學刊，2013，20(3)：108-111.
By Major Tom
