為什麼沒有方泡泡？| No.146_風聞
中科院物理所-中科院物理所官方账号-2019-03-15 15:48
原創：中科院物理所
上一期我們聊的是為什麼長時間不洗頭搓不出泡泡，
這期我們又跟泡泡槓上了，
為什麼穩定的泡泡都是接近球形的？
講道理為什麼不能是方的？
為什麼不能吹個泡泡都是愛你的形狀？
1
Q
用相同的力轉動一個生雞蛋和一個熟雞蛋，為什麼熟雞蛋轉動的時間更長？
by Y-ray
A
熟雞蛋內外是一個不分離的整體，當其轉動時，形狀不變，性質不變可以看做一個剛體，給定一個初速度，其轉動時只要找到合適的轉軸就會穩定地轉起來。
生雞蛋的殼是固體，裏面的蛋清和蛋黃都是液體，轉動時，由於其整體不連接，內部的液體部分由於慣性作用會有逐漸加速的過程，這個過程會由於阻力的產生有能量耗散。且其旋轉時，雞蛋內部由於密度不均勻，蛋液會向蛋殼不規則流動，導致轉動慣量依賴轉速而變化，引入一個不穩定因素，因此，相比之下，熟雞蛋轉動地時間更長一些。
By Nuor
2
Q
為什麼只有圓形的泡泡？
by 飛越彩虹
A
當你吹泡泡的時候，無論用什麼泡泡圈，吹出來的泡泡都是近球形的，童鞋們會懊惱為什麼：不能吹個泡泡都是愛你的形狀呢？
從受力分析而言，當泡泡為不規則形狀時，其相鄰的兩點曲率不一樣，則表面張力方向不一樣，根據受力分析，水會向合力的方向流動，最後平衡狀態為相鄰兩點受力一致，曲率一致。推廣到整體，就是一整個球體形狀的形成。
形狀不規則曲面向球面變換
此外，從能量角度上來解釋。在泡泡形成的過程中，由於液體表面分子之間的受力不均衡，而內部分子受力平衡，表面形成時有相對更高的能量:表面能。根據能量最低原理，液體會趨向於形成體積一定時表面積最小的形狀:球形。
By Nuor
3
Q
為啥自動鉛筆朝上按筆，筆芯也能出來？
by noname
A
上圖是最為常見的脈動式機芯結構的自動鉛筆示意圖。首先解釋一下這種自動鉛筆的工作原理。下面主要提到的四個元件分別是卡頭（Dispenser）、鎖緊箍（Dispenser
Ring）、固定護芯管（就是筆尖那個小圓柱體）和阻尼圈（在筆尖附近的圓錐體裏面的橡膠圈）。當手按動鉛筆尾部按鈕時，鎖緊箍就被圓錐體頂住了，卡頭的爪片逐漸張開並夾着筆芯向前推進，筆芯在阻尼圈的控制下沿着護芯管向前滑動一段距離。隨着卡頭的向前運動，卡頭的爪片完全張開，不再和筆芯接觸，但筆芯不會掉下去，因為阻尼圈和筆芯的摩擦力使其不下墜。放開尾部按鈕，在彈簧彈力作用下，卡頭的爪片逐漸合攏並退後，最終歸位，在鎖緊箍的作用下重新夾緊筆芯。這就是完整的一次出芯過程。
那麼這個問題就好回答了，因為自動鉛筆出鉛，依靠的不是重力，而是依靠卡頭向前推進時夾着筆芯向前。
By 重光
4
Q
為什麼保温杯裝進燒開的水，蓋上蓋子後搖晃一下，會有大量熱氣噴出來甚至頂開蓋子？
by 程志翔
A
開水倒入保温杯後，雖然杯中的空氣會變熱但是還沒有完全達到開水的温度。當你把蓋子蓋上搖晃之後，開水和杯中空氣充分接觸會把氣體進一步加熱，加熱的空氣體積膨脹。當你再一次打開杯子是就會有熱氣噴出甚至頂開蓋子。
其實就算是不搖晃只要放置一會依然會出現噴出氣體的現象。如果你放置時間特別長，長到水都冷了，氣體體積也會收縮，這時打開蓋子會吸入氣體。
By Nothing
5
Q
平行放置的兩個螺線管，給其中一個通電，另外一個因為磁通量變化而產生感應電流，但是磁通量變化是一瞬間的，也就是説E=ΔΦ/Δt中Δt→0，那麼E=+∞，但是這不符合常理，這是怎麼回事呢？
by 韓牧仁
A
乍一看這種情況確實不符合常理，但好像又無法反駁。事實上問題出再兩個方面：
1、題主認為磁通量變化是一瞬間的，事實上磁通量的改變需要時間，這樣了ΔΦ/Δt就變成了有限值而不是題主認為的無窮大。
2、題主的公式寫錯了，感生電動勢的公式應該是E=-ΔnΦ/Δt（n是線圈匝數），一個負號之差，結果相差十萬八千里。如果沒有負號的存在，感生電動勢形成的電流產生的磁場和另一個螺線管產生的磁場方向相同，新產生的磁場會促進總磁場的改變，從而形成很大的電動勢。負號的存在使得新產生的磁場在抵抗總磁通量的變化，使得磁通量變化沒有那麼劇烈，相應的感生電動勢也會變得不那麼大。
By Nothing
6
Q
在電動機（就是物理課本上的那種）工作時，導線會發電嗎？（因為會切割到磁感線）
by 鵬程的我
A
電動機工作時，線圈高速運轉切割磁感線。我們知道導線切割磁感線會在導線中形成電動勢，這個電動勢並不會因為導線中原本存在電流而消失。通過分析(楞次定律)我們可以發現切割磁感線產生的電動勢有讓導線中電流減小的趨勢。正是由附加的電動勢的存在使得歐姆定律在電動機中失效。這就是電動機工作時導線中發生的物理過程，具體你是否把它稱為在發電，全看讀者自己對發電的定義了。
By Nothing
7
Q
有一輛火車即將通過一個山谷，山谷長度與火車剛好相等，慢速條件下火車剛好可以通過山谷，如果火車速度接近光速，長度變短，能不能通過山谷呢？地面上的人看起來會是怎樣一種狀態呢？
by Islands in the Sea
A
根據題目的描述，題主的問題改為”火車是否可以完全處於山洞中“更加合適。
這個問題涉及到狹義相對論中著名的“尺縮效應”。在山谷眼中，由於尺縮效應，火車變短，火車應該可以完全處於山洞中。但是在火車上的人看來時山洞變短了，火車不可能完全處於山洞中。兩者説的好像都有道理，到底是誰出錯了呢？其實誰都沒錯。
想要討論這個問題，我們先要明確一個概念：什麼叫火車完全處於山洞中，它指的是火車頭和火車尾同時處於山洞中。在山洞看來，火車頭和尾確實可以同時處於山洞中，我們可以將火車頭處於山洞中和火車尾處於山洞中看做兩個事件，由狹義相對論的知識可以知道，靜止參考系中不同位置同時發生的兩個事件在運動參考系中並不是同時發生的，這叫同時的相對性。所以，在車上的人眼中，雖然他們也觀察到了火車頭和火車尾在山洞中兩個時間，但是這兩個事件並不是同時發生的，雖然火車頭和尾都可以分別處於山洞中，但是火車頭在山洞中時火車尾在山洞外。所以在他們看來，火車並不能完全處於山洞中。
看似矛盾的兩個結論其實只是同樣一件事在不同參考系中的不同表現而已。
By Nothing
8
Q
宏觀狀態下的物質是否都有保持其原有狀態不變的性質？微觀粒子是否都有不斷改變其原有狀態的性質？
by 量子玫瑰
A
在理想情況下，宏觀物體和微觀粒子都有保持原有狀態不變的性質。在開始討論之前，我們先來解釋下怎樣描述一個體系的狀態：對於宏觀物體（為了簡單起見，我們只討論單個質點），我們認為只要我們知道了質點的位置和速度那麼我們就確定了質點的狀態；對於微觀物體，我們只要知道了它的波函數我們就確定了它的狀態。宏觀物體的行為由牛頓力學支配，牛頓第一定律告訴我們只要質點不受力，它就一直勻速運動下去。微觀粒子的行為由量子力學支配，薛定諤方程告訴我們，只要波函數是哈密頓量（不含時）的本徵函數，那麼波函數就不隨時間變化。從這個意義上講，無論是宏觀物體還是微觀粒子都具有保持原有狀態不變的性質。
但是在實際情況中，由於各種擾動的存在，我們不可能觀測到完全處於勻速直線運動的物體和完全不隨時間改變的波函數，從這個意義上講宏觀物體和微觀粒子都會不斷改變自身的狀態。
By Nothing