為什麼騎自行車輪胎沒氣時會更費力？| No.159_風聞
中科院物理所-中科院物理所官方账号-2019-06-14 12:01
原創：中科院物理所
想必不少人都有過騎自行車的經歷，輪胎沒氣的自行車騎起來可費力了！
這不，問答專欄的小夥伴和這個問題槓上了，浪費了不少腦細胞，哎！
小編也是醉了，既然騎着很費力，舉着不就好了嗎？
（安靜的吃手手）
1
Q
為什麼剛剛洗完澡身體尚未擦乾時穿衣服，衣服會“粘”在身上?
by 春江潮水
A
乾的衣服由於面料本身的可摺疊性，與乾的皮膚接觸時由於接觸面凹凸不平，其之間一般不會有力的作用（不考慮冬天乾燥環境下的靜電作用。）當皮膚上有水時穿衣服，由於水的浸潤作用，水將附着到衣服的表面和內部，將衣服之間的縫隙填滿，水分子和皮膚和衣服之間的距離非常小，由於水的表面張力作用，水會跟其接觸的衣服和皮膚都有吸引力，宏觀上來看就是：衣服“粘”在了身上。
By Nuor
2
Q
燈為什麼會亮？
by 學佳
A
電燈主要有白熾燈、熒光燈和LED。
白熾燈的發光原理是熱輻射發光。在白熾燈中，通電的鎢絲，温度高達2000多攝氏度。其中的電子、原子和分子都在劇烈地運動着，有一部分處於不穩定的高能狀態，電子、原子或分子在高能態躍遷到低能態時，可能以輻射光子的形式把多餘的能量釋放出來。
熒光燈又稱日光燈，看上去是一根白色的管子，兩端各有一根燈絲，燈管內充有微量的氬氣和稀薄的汞蒸氣，燈管內壁上塗有熒光粉。接通電源後，在啓輝器的配合下，鎮流器產生超高電壓，使燈管的陰極發射出電子。這些電子在燈管內以極高的速度向另一端運動，途中撞擊到氬分子放出更多的電子，大量的電子碰撞汞蒸氣分子，使其躍至較高的能量狀態。當這些分子從高能量狀態返回到正常能量狀態時會發出紫外線，照射到熒光粉上使其發出可見光。
LED是發光二極管（Light Emitting Diode） 的縮寫。LED的核心部分是由p型和n型半導體組成的芯片。p型半導體裏面空穴占主導地位，n型半導體中主要是電子主導。在p型和n型半導體之間有一個過渡層，稱為pn結。當電路接通時，電子和空穴在電勢的作用下發生複合，放出光子從而發光。LED比傳統的白熾燈、熒光燈更加節能並且壽命更長，是未來的主流光源。
By 煦天
3
Q
問前輩，怒髮衝冠可能嗎？畢竟頭髮特別是長髮那麼軟力該咋分析呢？歷史書裏的怒髮衝冠貌似不少。而且為什麼非要生氣頭髮才能立起來。用靜電立起的頭髮能支撐起帽子嗎？
by 弦風
A
當人異常憤怒、開心、激動、恐慌的時候，腎上腺激素大量分泌，頭皮的立毛肌會馬上收縮，使得毛髮直立，但是由於頭髮的柔軟性，所以，帽子可能會向上衝，額，大概0.3cm？當然，作為一個合格的物理愛好者，每當你解不出物理題的時候，雙手就會控制不住地去摸范德格拉夫起電機（就是靜電球），假設你醉心科研多年沒洗頭且頭禿得只有兩根鋼鐵硬的頭髮（當然還是導體），你的帽子是完美的絕緣體不導電且完美在頭髮上保持平衡，重量為100g，你的頭髮長度為10cm，為了方便計算，再次假設你在真空中，電子為了能夠使帽子“衝”起來，自發聚集到頭髮的兩側，而兩根頭髮以頭頂為中心呈對稱分佈（忽略頭髮自身的重力），此時，利用庫倫定律：
，
得出要想使冠“衝”起來，Q大概為：10-5的量級，考慮到電流的換算，除以時間，為不到0.1mA的電流，嗯，屬於安全接觸電流範圍內，沒問題。當然，作為一個勤勞乾淨愛衞生不禿頭不生氣不在真空中工作的科研工作者，除非風太大，帽子一般都好好的。
By Nuor
4
Q
為什麼手機相機鏡頭那麼小，可以拍到那麼大的範圍？
by 學佳
A
在光學儀器中，以鏡頭的中心為頂點，可通過鏡頭有效成像的最大範圍的角度，稱為視場角。視場角越大，視野範圍就越廣，示意圖如下。
視場角
如下圖，其中u為物距，v為像距，f為焦距。對於A點當光線通過透鏡C點和O點的像疊在一起時可以清晰成像。不難想象焦距f變大時，A’點將後移，此時成的像更大，但對於相同尺寸的成像元件來説其視場角變小。
因此，鏡頭的焦距越短，視場角越大，但同時得到的像越小。比如，對於焦距為135毫米的鏡頭，它的視場角很小，只有29°，因此只能拍下景物的一小部分，但在底片上的成像則很大，能清晰地顯現景物的細部。因此，長焦距鏡頭能像望遠鏡一樣，拍清遠處的人或景物。鏡頭焦距為50毫米，稱“標準鏡”，它的視場角有47°，成像大小適中。焦距為35毫米的鏡頭，它的視場角更大，有64°，但成像較小。
現在一般手機鏡頭的等效焦距在30mm左右，而某些手機的超廣角鏡頭可以低於16mm。所以手機鏡頭雖然很小，但拍攝範圍可以很大。
Ps:手機的實際焦距只有幾毫米。由於視場角的大小與感光元件尺寸有關，大家習慣於將不同尺寸感光元件上成像的視角，轉化為135相機上同樣成像視角所對應的鏡頭焦距，這個轉化後的焦距就是等效焦距。簡單的説就是以135相機作為一種標準，把非135規格相機的焦距折算成135相機的焦距,這樣讓人比較容易理解。大家如果感興趣可以進一步查找相關信息。
By 煦天
5
Q
磁懸浮列車是怎麼動起來的呀？
by 物理小新～
A
磁懸浮列車是利用直線同步電動機的原理進行驅動的，其依靠的基本物理原理是法拉第電磁感應定律。法拉第電磁感應定律可以簡單理解為當穿過導體的磁通量發生變化時，導體上會產生電動勢。
具體來説，直線同步電機是將線圈鋪設在軌道上，並通入一個三相交流電，使軌道與列車車體之間的空隙中產生變化的磁場，使安裝在列車上的導體由於電磁感應定律產生電流，從而會產生一個與原有磁場相反的磁場，最終在軌道與列車之間產生了動力。
簡單來説就是列車行駛時，車頭處的N級磁場被軌道上車頭前端的S級吸引，同時被S級後端的N級排斥，從而產生了推力；然後軌道斷電磁場消失，列車以慣性前進；而後軌道通入與之前相反的電流，產生與剛才相反的磁場，使車頭前段N級受到排斥，後端的S級受到吸引。從而實現了列車的連續驅動。
By Rimuru
6
Q
我是一名初三學生，請問既然滑動摩擦力大小和接觸面積無關，為什麼騎自行車的時候輪胎沒氣會騎的更加費力呢？
by 祁夢
A
因為阻礙車輪轉動的阻力力矩增加了。首先，車子前行與滑動摩擦沒有什麼關係，是靜摩擦力使車前行。不過，整體可以看做車輪與地面的滾動摩擦。
我們先從靜止的車輪講起，此時車胎內氣壓均勻，但由於接觸面積的不同導致支持力的分佈如圖：
各點支持力的合力通過輪軸與重力大小相等、方向相反，沒有引入力矩。當主動輪開始滾動時，由於動力矩的存在，導致輪胎左右兩側支持力分佈不均衡。這時支持力的合力就不通過車軸了，而是會引入一個力矩，如下圖。支持力的力矩阻礙車輪的轉動。
當輪胎沒氣時，車胎內氣壓變小，接觸距離面積變大，接觸距離變長。支持力合力的力臂變長了，導致阻礙力矩變大，因此騎着更加費力了，示意圖如下。
公式： 【F=P·S（力=壓強·面積）】
【M=L x F（力矩=力臂×力）】
By 煦天
7
Q
為什麼粉筆大多數時候掉到地上總是會摔成兩半呢？
by 匿名
A
“粉筆掉在地上，摔成兩半”的問題和“彎曲意大利麪時很難得到兩段”的問題有異曲同工之妙。悉尼大學的Rod Cross教授在2015年結合實驗給出了粉筆摔在地上斷裂成幾段的解釋。
首先他選用長度為78mm，直徑為11mm的粉筆，利用高速攝影機發現了粉筆從不同高度摔落在地上的不同現象：在低於30釐米的高處落下，粉筆一般不會摔斷；在高度為30釐米到40釐米的高處落下，粉筆一般從中間斷為兩截；在40釐米以上的高出落下一般斷為不相等的三截；在高於50釐米的高度落下，偶爾會斷為不相等的四截。如圖所示：
在粉筆下落的過程中，粉筆的一端先觸及地面，豎直向上反彈，地面對粉筆突然施加一個力矩。如果其速度足夠大，地面對粉筆施加的力矩會使得粉筆直接斷裂為兩段，斷裂位置一般在接近中心位置的缺陷處。如果其速度尚且不夠大，不能夠直接斷裂，在粉筆一端觸及地面時，其兩端的速度大小相同，後落地的一端在突然施加的力矩作用下在落地時會得到比先落地一端更大的速度，這個速度如果足夠大也會使得粉筆斷裂，這便是粉筆斷為兩段的情景。
每次碰撞會伴隨一定的能量損耗，粉筆在較低的高度落下時，就會多次在地面反彈而不發生斷裂；如果粉筆在較高處落下，其首先斷裂為兩段，然後未觸及地面的一段在下落速度足夠大時很可能斷裂為兩段，這是斷裂為三段的情況；如果其首先斷裂的一段速度也足夠大，當其另一端觸及地面時也可能發生斷裂，這是斷裂為四段的情況。如圖所示：
綜上，特定長度的粉筆落地斷裂的段數與落地高度直接相關，同時其斷裂的方向以及位置與粉筆的內在缺陷分佈，粉筆落地的傾角也直接相關。
至於題者遇到的經常摔成兩半，首先由於場景限制，高度一般不會發生變化，其斷裂的段數對於特定的高度應該是固定的，這也是其經常觀察到摔為兩段的原因。同時上文提到的具體高度與粉筆材質以及缺陷數量有很大關係，對於具體的粉筆其對應斷裂高度很有可能不同。
參考：The Physics Teacher 53, 13 (2015)
By 勿用
