好端端的耳機線為什麼老是纏在一起？| No.163_風聞
中科院物理所-中科院物理所官方账号-2019-07-12 14:36
生活中、想必不少朋友都會遇到線纏在一起的問題，
包括小時候玩的花繩，
媽媽織毛衣的毛線團等等。
當你將本來小心翼翼繞起來的耳機線從褲兜裏拿出來的時候，
會發現它也會纏在一起，
這是為什麼呢？
1
Q
為什麼放在一起的線不知不覺就纏在一起了?
by 小白
A
日常生活中常見的繩子打結現象是：從口袋/書包裏面取出來的耳機線纏繞在一起了。這個看起來簡單的現象背後有很多科學可以細説。由此發展的“扭結理論”是拓撲學中的一個代表研究問題，從其他的角度比如熵最大原理，統計物理理論，計算機模擬等都可以解釋這一問題。
在這裏，我們用一種比較直觀的過程的方法來解釋整個線纏繞的過程。如圖所示，長的繩子在一個有限的容器內，為了適應環境，必須以一種捲曲的姿態待在容器裏，這代表，繩子的一端會與其他部分平行排放，隨着容器的晃動，繩子的末端有充分的機會上下翻滾並與其他部分纏繞在一起，從而形成不同的繩結。
明顯地，形成繩結必不可少的兩個因素是繩的柔性以及外界施加的微擾，具有柔性的繩在外界微擾作用下會形成繩結。考慮到以上繩結形成的原理，可以通過限制容器的大小，外加線膜使線堅硬不易變形，合理的線纏繞保存方式等防止線的纏繞。當然，如何合理繞線也是編織的一門手藝。
形成的繩結是否容易打開，與繩結的具體纏繞方式有很大的關係，怎麼對繩結進行分類，怎麼逆向解繩，繩結在物理學或生活中有哪些應用，對這些問題感興趣的筒子可以來物理所學習哦，當然有興趣自學的同學可以自行搜索扭結理論（Knot theory）或辮羣（Braid group）。這裏向大家展示一些扭結理論在生活或實驗中應用的現象。
頭可斷，髮型不能亂
（物理所的女孩子可以每天給自己扎一個美美的髮型，物理所的男孩子可以每天給女朋友扎一個美美的辮子，物理所的單身狗可以每天，嗯，被扎無數次）
利用辮羣對三體問題進行分類
By Nuor
2
Q
用盆接水，離水龍頭近，接滿水更快，還是離得遠的快？
by 匿名
A
不考慮濺射的問題的話，時間是一樣的。
在理想的條件下，考慮一個盆A在水龍頭邊上，另一個盆B在水龍頭底下五米的距離，在0s的時候開始出水（假設初始速度為0m/s），0s時第一滴水以速度0m/s的速度滴落到盆A，同等條件下，第一滴水需要走5m，根據加速（g=10m/s2）的計算，需要走1s到達盆B，此時其速度為10m/s。假設60s之後，盆A接滿了水，拿走，總共用時60s，61s之後，盆B接滿了水，拿走，總共用時60s（61s-1s），因此，無論是無論遠近，接水時水裝滿盆的時間是一樣的。
但是，考慮到在接熱水時水龍頭越高，水下降的速度越快，越容易噴濺，以及人需要先放盆再開水龍頭的操作，盆離水龍頭近一些比較好。
By Nuor
3
Q
為什麼烏雲是黑的（很小片的烏雲也是黑的）？
by LZB
A
“烏”就是黑的意思，如果雲不黑，那它還能叫“烏雲”嗎（正經臉）？
先解釋下雲是什麼以及是怎麼形成的。雲是大氣層中以水為主，包含其他多種較少量化學物質構成的可見液滴或冰晶集合體（其實霧也符合這個定義，只不過它離地表太近了，不能算是雲）。當空氣中的水汽含量增加或者周圍環境温度降低使得水汽過飽和時，水汽便會聚集在凝結核周圍形成小水滴或小冰晶。雲中的小水滴和小冰晶因為尺寸比較大，大於入射光的波長，使得散射的光強幾乎與入射的波長無關，陽光中各種波長的光都被小冰晶、小水滴散射而使雲朵呈現白色。當然，這是在雲層比較薄的時候。當雲層很厚的時候，陽光大部分被吸收，無法穿透雲層，這就是烏雲了。
仔細觀察可以發現，烏雲的底部比較黑，而云層比較薄的邊緣因為陽光可以透過則顯得比較白，如果你此時坐飛機在烏雲上空飛過，你會發現下面的“烏雲”是白的。至於很小片的烏雲為什麼也是黑的，這是因為烏雲的“黑”也與周圍環境有關。比如，在高空有云作為背景擋住了部分陽光，那麼低空的小片雲朵即使比較薄，那也顯得比較黑；再比如，當天空的背景比較明亮時，小片雲朵在明亮的背景的襯托下，也顯得比較黑。
By 重光
4
Q
見過老人(做豆腐)用嘴一吸水水就一直流啊流，這是為什麼？聽老師説這是虹吸現象？
by 匿名
A
雖然沒腦補出你説的這個畫面，但是你老師説的沒錯，就是虹吸現象。虹吸現象是在管內液體重力與大氣壓的共同作用下，由於兩液麪間存在高度差造成的現象，如下圖。
因為h1 < h2，所以根據帕斯卡定律P=ρgh，裝置中左管中的液體壓強ρgh1小於右管的液體壓強ρgh2（壓強方向向下）。另外，在B點跟C點分別有大氣壓的作用（方向朝上），可以認為兩者的大氣壓相等即P1 = P2 = P。B點壓強PB = P - ρgh1，C點壓強PC = P - ρgh2，所以在A左端的壓強就大於A右端的的壓強，在大氣壓和液體壓強的共同作用下，水朝液麪低處方向移動，液麪高度差越大流速越快。
但當ρgh1 ≥ P，虹吸現象就會消失。此時管子中的水就會以A點為界線，左端往左流，右端往右流，中間形成一段真空層。對水來説，這個臨界的高度值為10.3米，所以生活中一般觀察不到這種情況。
前面提到必須需要先用嘴吸一下，這是因為如果不用嘴吸一下管子兩端的壓強就是平衡的，不會自動向另一個燒杯流去。
參考資料：虹吸現象
By 煦天
5
Q
為什麼金屬會有味道？
by 520
A
金屬其實是沒味道的。人聞到氣味，首先需要氣味分子進入到鼻腔，但是金屬（除了汞）在常温下是固體，和氣體、液體相比，金屬原子難以脱離金屬表面進入鼻腔，因此直接聞金屬是聞不到氣味的。那為什麼金屬又有氣味呢？比如説銅臭味。這其實不是金屬本身的氣味，是你自己的味道。當人的皮膚和鐵接觸時，汗液會將單質鐵氧化成二價鐵，而二價鐵會將皮膚上的脂質過氧化物還原成一種羰基化合物——1-辛烯-3-酮（1-octen-3-one），這種物質就是我們平時聞到金屬味的來源。
1-辛烯-3-酮（1-octen-3-one）
1-辛烯-3-酮廣泛存在於蘑菇中，所以也有人説金屬聞起來有一股蘑菇味。血液聞起來也有金屬味，這是因為血液中已經含有二價鐵，可以直接將脂質過氧化物還原。除了鐵，銅也會發生類似的反應，但是氧化鋁、鎂、鎳和人手摩擦就幾乎不會有這種羰基化合物產生。鐵合金和銅合金是生活中最常見的兩種金屬材料，所以經常能聞到“金屬味”也不奇怪了。
參考：Glindemann D, Dietrich A, Staerk H J, et al. The two odors of iron when touched or pickled:(skin) carbonyl compounds and organophosphines[J]. Angewandte Chemie International Edition, 2006, 45(42): 7006-7009.
By 重光
6
Q
所謂氮氣加速是什麼原理？
by 楊
A
想必玩過“極品飛車”和“極速凌雲”之類賽車遊戲的小夥伴都體驗過氮氣加速的過程，那麼氮氣加速的原理是什麼呢？
而想弄清楚這一點，必須先了解汽車發動機的原理（已經瞭解的小夥伴可以跳過這一段），如圖一所示，常見的四衝程發動機原理如下：進氣衝程過程中，曲軸旋轉引起活塞向下移動，同時進氣門開啓，混合氣體進入氣缸；隨後進氣門關閉，隨着曲軸的繼續旋轉，活塞向上運動使氣缸內氣體壓縮；壓縮的混合氣體被火花塞點燃後開始燃燒，放出大量氣體，氣體體積急速膨脹，使活塞下移，引起曲軸快速旋轉，連動汽車向前行駛，最後排出廢氣。如此循環，使得汽車連續向前行駛。
圖一 汽車發動機工作原理
圖二 發動機原理動圖
汽車行駛的快慢直接取決於曲軸的旋轉速率，取決於做功衝程過程中，混合氣體相對燃燒前所釋放的壓力大小，燃燒產生的氣體越多或燃燒的越充分都有助於汽車提速。現有的機械增壓和渦輪增壓都是為了增加單個衝程內進入氣缸的混和氣體進氣量，從而燃燒時放出更多的氣體，對於活塞的壓力更大，使得曲軸旋轉更快，對汽車進行提速。
那麼氮氣加速呢，難道是向氣缸中充入氮氣嗎？顯然不是，氮氣加速全稱為氮氧加速系統（Nitrous Oxide SYSTEM,簡稱NOS），加速過程中利用的氣體並不是氮氣，而是氮的一氧化物(N2O)，俗稱笑氣，由於其具有輕微麻醉作用，並能致人發笑的特性而命名。笑氣在高温下能夠分解為一倍氮氣和0.5倍的氧氣，裝有氮氧加速系統的賽車，向發動機內注入笑氣，高温下分解，增加了氧含量，使得發動機內的一些不參與燃燒反應的燃料充分燃燒，放出更多的氣體，從而使汽車提速。
參考：氮氧加速系統
By 勿用
7
Q
為什麼水珠沾到手機屏幕上不會折射出彩色光，而抹一下讓水珠變得很小會在屏幕上出現彩色光？
by 鹽析
A
為什麼水珠沾到手機屏幕上不會折射出彩色光，而抹一下就會在屏幕上觀察到彩色光呢？這是因為水珠折射產生彩色光和屏幕上的水膜產生彩色條紋的原理是不同的，分屬於兩個不同的光學現象。
水珠折射產生彩色條紋是由於光的色散，這是下雨天出現彩虹的原因；而屏幕上的水珠抹勻厚在屏幕上觀察到的彩色條紋的原理則主要是薄膜干涉。彩虹作為問答專欄的老面孔，有很多關於彩虹的討論呢，下雨天出現彩虹的原理可以參考往期問答：No.119 A8 為什麼彩虹沒有圓形的？No.74 A5 南邊不會出現彩虹嗎？No.48 A2； No.18 A3； No.19 A1。
下面簡要解釋一下薄膜干涉的原理。如圖所示，由於透明薄膜上下兩處界面都出現折射率的變化，在兩處界面均發生反射現象，經上表面和下表面反射的光線進入人眼會有一段光程差，由於這兩束光產生於同一光源，滿足相干條件，能夠發生干涉。
由於薄膜的厚度差異，根據相對應半波長的偶數或奇數倍產生明暗相間的條紋，同時由於不同波長對應的折射率不同，導致不同波長對應的亮條紋的薄膜厚度不相同，顏色在空間上分離，形成彩色條紋。薄膜干涉可以解釋類似的水面彩色油膜以及彩色肥皂泡泡的現象。
By 勿用
8
Q
有什麼辦法使光降速嗎？
by 林子
A
根據狹義相對論，慣性系中的光速恆定。但是在不同的介質中，光的實際相速度會比真空速度慢，通過c與相速度之間的比率來量化速度的降低，其比值就是材料的折射率。
真空中的光速
介質中的光速
對於給定的材料，其折射率是不是常數，取決於温度，壓力和（正弦）光波的頻率。時間相關的正弦干擾幅度以羣速度傳播，其羣速度不僅僅與折射率有關，還與折射率隨頻率變換方式有關。羣速與相速不同時，會有色散現象出現。慢光是指具有非常低羣速度的光。
因此，為了使光“降速”，一是可以考慮使用較高折射率的介質，另一方面可以調頻折射率即快速改變其頻率來降低羣速，可以利用相干粒子振盪（CPO），四波混頻（FWM）等方法產生。
By Nuor
