為什麼熟雞蛋轉着轉着會立起來？| No.153_風聞
中科院物理所-中科院物理所官方账号-2019-05-03 13:05
原創：中科院物理所
黑大帥：看我變個魔術！
瀟灑哥：畫個圈圈祝福你。
黑大帥：我轉着轉着就能站起來，你信不信？
瀟灑哥：畫個圈圈歌頌你。。
黑大帥：。。
瀟灑哥：畫個圈圈保佑你。。。
——那麼，請問上文一共中有多少個圈？
1
Q
如果壓力足夠大，水可以被壓縮嗎?
by 田文鬱
A
可以。壓縮性是流體的基本屬性。任何流體都是可以壓縮的，只不過可壓縮的程度不同而已。液體的壓縮性都很小，隨着壓強和温度的變化，液體的密度僅有微小的變化，在大多數情況下，可以忽略壓縮性的影響，認為液體的密度是一個常數。 dΡ/dT=0的流體稱為不可壓縮流體，而密度為常數的流體稱為不可壓均質流體。
水作為液體也是可以壓縮的。從分子和原子尺度上考慮，水分子和水分子之間具有一定的空隙，氫原子和氧原子之間也存在距離，但由於分子或原子間很強的作用力使得其難以被壓縮，但還是可以壓縮的。一個很好的例子是考慮重力作用下深海中的水被其上部的水壓縮，其密度比海面水的密度大。
水的體積彈性模量為2.19x109Pa，即21.9MPa的壓力可以使水的體積壓縮相對1%，遠大於氣體的體積模量。
By 勿用
2
Q
pH指示劑的原理是什麼？
by WQ
A
酸鹼指示劑本身是弱酸或者弱鹼，會和溶液中的氫離子或者氫氧根離子發生反應，生成共軛酸或者共軛鹼。酸鹼指示劑本身和生成的共軛酸或共軛鹼表現出不同的顏色，從而能起到指示pH值的作用。
比如高中生物書上用來檢測二氧化碳的溴麝香草酚藍，屬於弱鹼，它在pH低於6.0時顯黃色，pH高於7.6時顯藍色。下面的方程式展示了溴麝香草酚藍髮生轉變時的結構變化。
熟悉的由藍變綠再變黃（來源：Wikipedia）
而平時使用的pH試紙是廣泛pH試紙，由百里酚藍、甲基紅、甲基橙、溴麝香草酚藍、酚酞和溶劑按一定配比配製後再在紙上乾燥而成的，因為含有指示不同pH範圍的指示劑，且不同指示劑顯示的顏色不同，所以能依靠豐富的顏色變化來指示很寬的pH值。
By 重光
3
Q
請問浮沉子的原理是什麼？通過改變排開水的體積還是改變重力大小？
by 陳嘉輝
A
浮沉子主要用了兩個原理，一個是帕斯卡原理（靜壓傳遞原理），一個是阿基米德原理（浮力定律）。先看一下簡易浮沉子的構造吧，見下圖，吸管的下部彆着幾根回形針，用來增加質量，而吸管的上部留着一些空氣。吸管能浮在水面上就是因為上部留有的空氣。
浮沉子浮在水面時，其重力與浮沉子內部的空氣所提供的浮力互相平衡。壓礦泉水瓶時，瓶內氣壓升高，根據帕斯卡原理，壓強傳遞給水，水將浮沉子內部的空氣壓縮，浮沉子所受的浮力減小，就會沉下去。鬆開礦泉水瓶時，瓶內氣壓降低，浮沉子內部的氣體將水排出一部分，浮沉子內空氣體積增加，浮力也就增加了，浮沉子就上浮。
分析這一過程可以看到，如果以浮沉子和裏面的空氣作為一個整體來研究，其質量是沒有改變的，控制其上浮還是下沉依靠的是改變排開水的體積。
By 重光
4
Q
塗改液是怎樣製作的？裏面那個搖起來會響的東西是什麼？
by 1
A
塗改液的主要成份是鈦白粉，也就是TiO2(二氧化鈦）。塗改液的配方中含有甲基環己烷、鈦白粉、環己烷、1,1,1-三氯乙烷，1,1,2-三氯乙烷、環己酮、甲基己丁基甲酮、二氯乙烷、樹脂等化學物質。那個搖起來會響的東西是一個小鋼珠，主要目的是為了將塗改液裏面的附着劑（鈦白粉）和溶劑（甲基環己烷）混合。每當使用塗改液之前將其適當搖晃，擠出來的是溶質（鈦白粉）、溶劑（甲基環己烷）和膠，溶劑在空氣中揮發，膠將鈦白粉粘在紙上，塗蓋住原有的筆跡。
By Nuor
5
Q
公號編輯你們好，我是一個兩歲半小女孩的爸爸，我的孩子一直在問我一個簡單的問題，爸爸氣球為什麼會爆炸？
by 大王的爸爸
A
氣球的種類很多，但會爆破的氣球從本質上來説就是一種充滿空氣或某種別的氣體的密封袋。爆破的基本要素是：在密封環境內空氣劇烈膨脹使容器耐壓超過極限。對於氣球來説，其爆破的原因分析如下：
1、空氣膨脹。當氣球遇到温度上升或者外界壓強降低（比如升到高空）時，其球內體積會增大，氣球變形到無法承受內部的壓力，發生爆破。
2、容器變形：當用力踩或者用針刺氣球時，表面由於局部受力不均勻，一些區域內的氣體會擠壓表面使其壓力超過局部表面承受壓，氣流急速湧出，發生爆破。
不過，對於一個兩歲半的孩子來説，簡單點來説就是：爆破就是氣球內部的分子沒有了約束，從而快速從氣球內部跑了出來。（具體語言請爸爸結合孩子的教育背景組織：氣球為什麼叫氣球呢？首先氣球的形狀是一個球形的，然後它裏面裝滿了氣體，氣球爆炸的過程就是氣球裏面的氣體飛速的跑了出去；氣球就比如一個小屋子，氣體就好比許多小朋友，小朋友本來在屋子裏面玩，但屋子太小了，小朋友玩的不盡興，爸爸突然把門給打開了，小朋友們一下子就從屋子裏面跑出去了，跑的太快了，爸爸嚇了一大跳）
By Nuor
6
Q
你好，關於等離子體，是不是隻有在高温中才能出現（例如火焰的高温部分或閃電）？如果是這樣，那等離子消毒也是一個高温的過程嗎？
by H雪X人H
A
首先給出答案，等離子體並不只在高温出現，等離子消毒利用低温等離子體中的高温電子部分進行消毒。
等離子體是物質存在的形態之一。通常認為等離子體是物質的第四態，等離子體就是顯著電離的氣體，但從氣態過渡到等離子體在熱力學上沒有物理量的突變，並不存在相變過程，這種説法並不準確。等離子體的準確定義應該是由自由電荷構成的、表現出集體行為的多粒子宏觀系統。傳統中性等離子體研究的温度範圍非常廣泛，可以從地球電離層（極光）的300K左右到白矮星磁化層的1016K。温度和密度作為等離子體的兩個參數，對應傳統等離子體的參數空間如圖所示。
由於等離子體內部電子和離子質量相差較大，通過碰撞交換能量過程緩慢，各種帶電粒子成分各自先達到熱力學平衡狀態，分別對應電子温度Te和離子温度Ti。當等離子體整體達到平衡狀態時，具有統一的電子温度和離子温度，粒子間的碰撞勢約為幾個電子伏特，對應等離子體温度為幾千度甚至更高，稱之為高温等離子體。還有一種狀態是電子温度雖然很高，但體系中重離子温度很低，整體表現為低温狀態，稱為低温等離子體，由於體系處於非平衡狀態也可稱為非平衡等離子體。
低温等離子體消毒應用的就是這種原理：在幾帕到幾百帕的真空環境下利用特定電磁場對氣體進行電離產生低温等離子體，電子温度可達20000-30000度，細菌的大小約為10-6m，許多電子將細菌或病毒包圍然後消滅，同時由於電子本身熱容量較小，對宏觀温度沒有影響，不會對消毒的物品產生損傷。低温等離子體消毒的温度一般為室温。
並且，隨着激光冷卻技術的發展，超冷等離子體成為研究熱點，其温度可以低至mK量級。1999年,美國國家標準與技術研究所的S.L.Rolston小組首次採用光電離激光冷卻原子的方法,得到了電子和離子温度分別低到100mK和10μK,密度高達109cm-3的氙原子的超冷中性等離子體。
參考：《等離子體物理理論》 鄭堅
《超冷中性等離子體的研究進展》馮志剛等。
By 勿用
7
Q
類似雞蛋的橢圓形物體在平放時，如果雙手給它兩端力讓它轉起來，它轉着轉着就站着轉了。隨着速度的減慢，它又平轉了，這其中的原理是什麼？求解答 謝謝！
by 尋守
A
當我們讓一個煮熟的雞蛋快速旋轉起來的時候，它的重心會逐漸上升，直到立着轉一段時間，隨後中心逐漸下降，直到停止。由於雞蛋這種奇特的現象，形象稱之為“魔蛋（magic eggs）”。
通常，快速旋轉的物體會保持其旋轉方向（陀螺運動的定軸性），魔蛋的奇特現象困擾了人們很長時間，直到2002年由H. K. Moffatt和 Y. Shimomura給出了經典的解釋。
首先建立如圖所示的模型，從解析的角度來計算雞蛋旋轉對稱軸Oz和豎直軸OZ之間角度隨時間的變化θ(t）。採用陀螺近似，利用歐拉角動量方程，得到夾角一階微分方程，在兩種不同形式的摩檫力下得到了相同的結論：在雞蛋的幾何形狀滿足一定條件時，一段時間內，雞蛋旋轉對稱軸Oz和豎直軸OZ之間的夾角單調的從90度變為0度，解釋了魔蛋重心上升的現象。同時，在摩檫力為零時，角度不隨時間變化，雞蛋重心不會上升。據此，桌面與雞蛋接觸點的摩檫力是雞蛋重心上升的關鍵因素。雞蛋開始水平旋轉時，由於雞蛋形狀的特殊性（一頭大一頭小，tip-top），這個位置並不穩定，蛋殼或桌子上任何微小的不規則都會使雞蛋略微傾斜。旋轉使得雞蛋在桌面上滑動，將末端向上推，接觸點靠近底端。接觸點線速度增大，增加了摩擦力，使得雞蛋能夠在這個角度下穩定；雞蛋繼續旋轉，接觸點更靠近底端，摩檫力繼續增大，最終，這種摩擦將雞蛋一直“推”到垂直位置。
需要注意的是生雞蛋比較難以產生”魔蛋”現象，這是因為開始旋轉時生雞蛋蛋殼的角速度擴散到雞蛋內部時在粘滯力的作用下耗散了，剩餘的動能不足以使雞蛋最終立起來。
（下面公式引起強烈不適，可略過）
By 勿用
