溜溜球甩出去，為什麼能自己滾上來？| No.147_風聞
中科院物理所-中科院物理所官方账号-2019-03-22 16:12
溜溜球與小彈珠、四驅賽車並稱為童年三大寶物，
但是從小到大從來沒想明白溜溜球下去以後是怎麼上來的
本着排除萬難也要答疑解惑的精神
我們今天把目光對準了悠悠球
看看這個困擾了數十年的究極難題
1
Q
溜溜球甩出去，為什麼能自己滾上來？
by 小林桔子
A
溜溜球，又稱悠悠球，是一項花式紛繁、極具觀賞性的手上技巧運動。據傳起源於菲律賓狩獵民族在狩獵和戰鬥所使用的武器——繩子前端懸掛着重物，並且Yo-Yo在菲律賓的土語塔加路語中是“回來”或“去回來”的意思。那麼，溜溜球在甩出去之後是如何回來的呢？
如圖所示，傳統的溜溜球中單股繩直接系在輪軸上，將溜溜球的輪軸和輪盤看作一個剛體，在溜溜球被向下甩出的過程中，在重力和人給予的初始衝量的作用下向下運動，同時由於重力和繩子對其的力矩作用開始轉動，重力勢能逐漸轉換成平動動能和轉動動能,隨着重力勢能的減少,下落的速度越來越快,轉動的速度也越來越快。當細繩全部展開後,下落速度和轉動速度達到最大值,這時原來的重力勢能完全轉化為平動動能和轉動動能。
由於轉動慣性的作用，在最低點時溜溜球還會繼續旋轉，但此時細繩已經全部展開，溜溜球已不可能繼續往下走，由於細繩與輪軸是固連的，繼續旋轉就會從另一個方向開始纏繞細繩，開始爬升，即所謂的“自己滾上來”。但由於細繩不是完全彈性體，在溜溜球轉向的過程中平動動能有所損失，在向上運動時不會回到初始位置，因此需要在初始時將悠悠球“甩”出去或在最低點時迅速提一下細繩以補充能量損失。
為了使溜溜球在最低點處懸停足夠長的時間來完成一些高難度動作，發展了一系列現代化溜溜球——軸承型、離合型溜溜球等。其原理與圖中的現代溜溜球基本一致，細繩與輪軸沒有直接固連，在最低點時輪軸能夠繼續克服細繩對其的摩檫力旋轉而不纏繞細繩。為了使溜溜球滾上來，有時需要提一下細繩，使得輪軸與細繩接觸的地方壓力增大，對應摩檫力增大，大於靜摩擦力時即會使細繩開始纏繞輪軸，進而開始爬升，回到玩家手中。
與麥克斯韋滾擺類似，不考慮空氣阻力和細繩在下落及懸停時對輪軸的摩檫力，並且細繩是完全彈性的在無阻力情況下，自由釋放的溜溜球會每次都會到原來的高度。
補番推薦：《超速YO-YO》；《火力少年王》——想當年小編還是手握火鳳萌新呢！
參考：溜溜球的力學原理
By 勿用
2
Q
為什麼搖汽水後可樂會噴出來，明明是隻要氣漏完，瓶內氣壓就恢復平衡了，而且水是在氣體的下面的。
by cmd
A
幾乎所有的果汁飲料都會寫着“喝前請搖勻！”，那為什麼可樂瓶上不這麼寫呢？當然是因為它會噴出來啦，是的，你沒看錯，就是噴出來，像這樣——
作為一名資深死肥宅，不管是櫻桃味的還是胡椒味的，聽裝的還是罐裝的，藍瓶的還是白瓶的，嗯，假裝都喝過。。針對提問者的疑問，在此説明一下可樂會噴出來的兩個關鍵點——氣壓平衡和水氣分佈。
汽水搖一搖後，氣體從液體中逸出，彌散在可樂瓶極小的氣體空間內，氣壓很大，打開瓶子的瞬間，氣體跑出瓶口，如果僅僅是這樣的話，瓶內氣壓會即刻回覆平衡，可樂就不會噴出來了。但有一點需要注意的是，氣體在在搖一搖後並沒有立刻全部完成水氣分離，部分氣體分子依然在不斷地從液體逸出，同時還有部分聚集的較大氣體分子附着在瓶壁上，搖一搖後立刻開瓶的瞬間，這些氣體分子會附着液體一起噴出，當然其中還隱含着氣體分子逐漸增大的熱力學過程。為了防止可樂噴出，可以在搖一搖後靜置一段時間，然後緩慢打開放氣，或敲一敲可樂罐，使罐壁的氣泡運動到液體上方再打開，當然最好的辦法當然是不去搖可樂瓶啦！
最後問題來了，到底是搖可樂噴汽水呢，還是搖汽水噴可樂呢？
By 勿用
3
Q
早上刷牙的時候發現，牙膏滴在洗漱池的斜面上，牙膏周圍形成一個環狀的區域，似乎對水產生了排斥力，水無法流進這個區域。請問這是因為表面張力嗎？
by noname
A
我們首先了解一下接觸角的概念。問題所描述的情形可以用下圖簡單表示，在這樣一個氣、液、固三相交界的體系中，有三種界面張力在相互作用。不難理解，σ氣，固 傾向於使液滴鋪展開，σ液，固 傾向於使液滴收縮，在圖示潤濕（θ＜90°）的情況下，σ氣，液傾向於使液滴收縮。接觸角定義為σ液，固 和σ氣，液 之間的夾角。簡單的力學分析可得：
我們日常用的牙膏一般都含有表面活性劑（如等）。這個名詞是不是很耳熟？沒錯，在之前關於“洗頭搓不出泡沫”的問答中已經説過，表面活性劑進入水中會迅速聚集於界面，親水基指向水相，疏水基指向氣相，使表面張力急劇下降並趨於恆定。
回到問題本身，在牙膏沫周圍的水中，由於表面活性劑的加入，其表面張力減小，根據前面關於接觸角的分析，其收縮作用減弱，更傾向於在固體表面鋪展開來，即接觸角θ減小，所以看上去比遠離牙膏沫的水面要更低窪。
By Major Tom
4
Q
為什麼隧道里收不到手機信號呢？
by 匿名
A
手機是用微波通信的，我國手機通信的頻率範圍在825 MHz~2655 MHz之間（從2G到4G，頻率逐漸變高），這對應於的波長大約在0.11 m~0.36 m之間，所以也叫分米波。
微波是電磁波的一種。當微波遇到障礙物時，有兩種辦法通過，一種是直接穿透，但是微波的能量太低了，穿透性很差；而電磁波有衍射現象，所以，另一種辦法是繞過障礙物傳播，但是微波的波長比較短，所以繞射的能力也比較弱。到這裏，這個問題就好解釋了，因為微波不僅無法穿透隧道壁，也無法通過繞射進入到隧道，因此在隧道里面就收不到手機信號了。
另外，不知大家注意到了沒有，坐地鐵的時候，在地下那麼深的隧道信號還能滿格。這是因為地鐵裏面有分佈式基站和泄露電纜用於保障通信。
圖中紅色框框內即為泄露電纜
By 重光
5
Q
為什麼紅色光和綠色光混在一起可以看到黃色光，而鋼琴上的do和mi一起按下去卻聽不出re來？
by 人類真奇怪
A
這就要從人類的視網膜説起了。人類的視網膜上的有視杆細胞和視錐細胞，其中視錐細胞用於感知強光和負責色覺，視錐細胞有L、M、S型有三種，分別對紅色（Long，長波）、綠色（Medium，中波）、藍色（Short，短波）敏感，見下圖：
正是因為有這三種細胞的存在，紅、綠、藍才成了我們人類的三原色，要注意的是，紅、綠、藍之所以是三原色，不是因為物理原因，而是生理原因，比如鳥類有四種感知波長的細胞，如果它也是像人類一樣感知色彩的話，那它的原色是四種。
紅色光和綠色光混合可以看到黃色光，那是因為這種混合產生的複色光對視錐細胞的刺激和黃色的單色光對視錐細胞的刺激等效，但實際上兩者本質上是不同的，只是因為人眼的特性，才使得二者看起來一樣。黃色的複色光和黃色的單色光的光譜是不一樣的。
鋼琴上的do和mi一起按下去卻聽不出re，那是因為do和mi的音混合後和單純re的音不等效，人耳是可以分辨出來的。
By 重光
6
Q
請問衞生間裏常見的按壓開關(就是按壓一下出水，過一段時間自動斷水那種)是什麼原理？還有，為什麼有些這樣的開關按下不出水，彈起來之後才出水？出水水量又靠什麼來控制？(能畫張圖詳細解釋最好)
by 飲茶稽
A
根據題者描述，應該指的是按壓式自動延時水龍頭，其優點是自動斷水，防止使用過後忘關，節約用水；同時每次洗手只需要按壓一次水龍頭即可，避免洗乾淨手之後再去關水龍頭的二次污染；在公共衞生間等人流量較大的地方使用是很好的選擇。
由於其構造可能屬於商業機密，同時沒有拆卸這種水龍頭的經驗，筆者儘量找到了一張可以部分説明水龍頭如何實現按壓出水和延時斷水兩個功能的不那麼常見的結構圖：
按壓出水的實現主要由與9號壓桿聯動的部件完成，其下壓過程中使得2號彈簧壓縮，18號擋板左移，同時17號部件下移，水流順利流出，紅線為水流經過路線，水流大小由按壓力度大小決定的擋板與17號部件開口的大小來影響。
延時斷水主要由2號彈簧完成，當壓力卸掉之後，2號彈簧伸展，使得18號擋板右移同時17號部件上移，關閉水流，其延時時長主要由2號彈簧的彈性係數決定。上圖只是簡單給出可以實現按壓出水和延時斷水的一種方式，並不是所有的水龍頭開關都是這種。
至於為什麼有些這樣的開關按下不出水，彈起來之後才出水？可能與水龍頭實際的結構有關，或者它被熊孩紙玩壞了。。
參考：《節能水龍頭設計》
By 勿用
7
Q
冰加熱會變成水，水加熱會變成水蒸氣。金屬加熱會變成液體，金屬液體繼續加熱會變成金屬蒸汽嗎？金屬分子長什麼樣，想想是不是很期待呀 ！
by 楊東才
A
金屬液體繼續加熱會變成“金屬蒸汽”。本質上講，物質三態的簡單分類只與其組成分子間的間距有關，當分子間距足夠大時處於氣態，足夠小時處於固態，介於兩者之間為液態，同時對應於不同的物理特性。由於分子熱運動，在非絕對零度的條件下，金屬表面總會有極少的原子發生擴散運動。
和水蒸氣一樣，我們不能宏觀直接觀察到“金屬蒸汽”，只有當其聚集在一起或體現某些作用時，我們才能體會到“金屬蒸汽”的確實存在。比如實驗中化學氣相輸運（CVD）實驗中含金屬元素材料的合成，磁控濺射實驗中金屬離子的定向傳輸，汞燈、鈉燈等等。
從微觀角度角度看金屬原子就顯得更加直觀和有趣了，比如利用球差電子顯微鏡直接觀察原子排列，利用原子力顯微鏡（AFM）觀察或控制單個原子等等。
金屬分子長什麼樣，想想是不是很期待呀！——期待的話，就來學物理吧，少年！
By 勿用